Ceramic composite alloy: Heat resistance of 2000°C or more!
-Zr-Ti alloy based C/UHTCMC-
Tokyo University of Science
Yokohama National University
National Institute for Materials Science (NIMS)
A zirconium (Zr)-titanium (Ti) alloy-based “carbon fiber reinforced ultra-high temperature ceramic composite (C/UHTCMC)” has been developed.
It can withstand extremely high temperatures of over 2000°C.
Hypersonic aircraft surface temperature:
In the case of a hypersonic aircraft with a speed of about 6200 km/h (Mach 5),
The surface temperature of an aircraft body is said to reach several thousand degrees Celsius.
Compounds containing silicon:
Materials that can withstand this
“Composite materials of ultra-high temperature ceramics and silicon carbide” are attracting attention.
However,
Compounds containing silicon are
“Material deterioration due to state change and chemical change in extremely high temperature environment” is a concern.
New composite material
C/UHTCMC
New silicon-free material C/UHTCMC,
It was synthesized by the melt impregnation method and its properties were investigated in detail.
Specifically, “three types of C/UHTCMC with different contents of Zr and Ti” were produced.
3 types of C/UHTCMC:
“New silicon-free composite material C / UHTCMC”
It was synthesized by the melt impregnation method and its properties were investigated in detail.
Specifically, three types of C/UHTCMC with different contents of Zr and Ti were produced.
The composition ratio of Zr and Ti is
“Z20” at 20:80,
36:64 “Z36”,
It is 80:20 “Z80”.
these,
Distance between nozzles 150mm, heat flux 2MW/m2,
Distance between nozzles 100mm, 4.54MW/m2
Distance between nozzles 80mm, 6.68MW/m2
Arc wind tunnel tests were performed under three different conditions to evaluate the wear of each material.
Experimental result:
As the Zr content increases, the thickness of the material increases after testing.
The melting point of oxides formed on the surface is also increased.
again,
The liquid phase generated on the surface of the material flows to the outer surface, promoting oxidation of the composite material.
Carbide containing a large amount of Zr is
than carbides with high Ti content,
Degradation of composite materials can be suppressed.
Ti and Zr oxides:
The oxide formed on the material surface was evaluated.
Ti and Zr oxides are mainly
“TiO2 Solid Solution”
“ZrTiO4 solid solution”
It is a “ZrO2 solid solution”.
These substances were found to “reduce further oxidation of the composite”.
In particular, “Z80 has less reduction in ultra-high temperature environments and has high oxidation resistance.”
We judged that it is most suitable for heat-resistant materials.
– EE Times Japan
https://eetimes.itmedia.co.jp/ee/articles/2211/28/news044.html
Alliage composite céramique : Résistance à la chaleur de 2000°C ou plus !
-Alliage Zr-Ti à base C/UHTCMC-
Université des sciences de Tokyo
Université nationale de Yokohama
Institut national des sciences des matériaux (NIMS)
Un “composite céramique ultra-haute température renforcé de fibres de carbone (C/UHTCMC)” à base d’alliage de zirconium (Zr)-titane (Ti) a été développé.
Il peut supporter des températures extrêmement élevées de plus de 2000°C.
Température de surface de l’avion hypersonique :
Dans le cas d’un avion hypersonique d’une vitesse d’environ 6200 km/h (Mach 5),
On dit que la température de surface d’un corps d’avion atteint plusieurs milliers de degrés Celsius.
Composés contenant du silicium :
Des matériaux qui peuvent résister à cela
Les “matériaux composites de céramique ultra-haute température et de carbure de silicium” attirent l’attention.
Cependant,
Les composés contenant du silicium sont
“La détérioration du matériau due au changement d’état et au changement chimique dans un environnement à température extrêmement élevée” est une préoccupation.
Nouveau matériau composite
C/UHTCMC
Nouveau matériau sans silicone C/UHTCMC,
Il a été synthétisé par la méthode d’imprégnation à l’état fondu et ses propriétés ont été étudiées en détail.
Plus précisément, “trois types de C/UHTCMC avec différentes teneurs en Zr et Ti” ont été produits.
3 types de C/UHTCMC :
“Nouveau matériau composite sans silicone C/UHTCMC”
Il a été synthétisé par la méthode d’imprégnation à l’état fondu et ses propriétés ont été étudiées en détail.
Plus précisément, trois types de C/UHTCMC avec différentes teneurs en Zr et Ti ont été produits.
Le rapport de composition de Zr et Ti est
“Z20” à 20h80,
36:64 “Z36”,
Il est 80:20 “Z80”.
ces,
Distance entre les buses 150mm, flux de chaleur 2MW/m2,
Distance entre les buses 100 mm, 4,54 MW/m2
Distance entre les buses 80 mm, 6,68 MW/m2
Des essais en soufflerie à l’arc ont été effectués dans trois conditions différentes pour évaluer l’usure de chaque matériau.
Résultat expérimental :
Lorsque la teneur en Zr augmente, l’épaisseur du matériau augmente après le test.
Le point de fusion des oxydes formés en surface est également augmenté.
encore,
La phase liquide générée à la surface du matériau s’écoule vers la surface externe, favorisant l’oxydation du matériau composite.
Le carbure contenant une grande quantité de Zr est
que les carbures à forte teneur en Ti,
La dégradation des matériaux composites peut être supprimée.
Oxydes Ti et Zr :
L’oxyde formé à la surface du matériau a été évalué.
Les oxydes de Ti et Zr sont principalement
“Solution solide de TiO2”
“Solution solide de ZrTiO4”
C’est une “solution solide de ZrO2”.
Ces substances se sont avérées “réduire davantage l’oxydation du composite”.
En particulier, “le Z80 a moins de réduction dans les environnements à ultra-haute température et a une résistance élevée à l’oxydation”.
Nous avons jugé qu’il convenait le mieux aux matériaux résistants à la chaleur.
– EE Times Japon
Keramische Verbundlegierung: Hitzebeständigkeit von 2000°C oder mehr!
-Zr-Ti-Legierung basierend C/UHTCMC-
Wissenschaftliche Universität Tokio
Nationale Universität Yokohama
Nationales Institut für Materialwissenschaften (NIMS)
Ein auf Zirkonium (Zr)-Titan (Ti)-Legierung basierender “kohlefaserverstärkter Ultrahochtemperatur-Keramik-Verbundwerkstoff (C/UHTCMC)” wurde entwickelt.
Es hält extrem hohen Temperaturen von über 2000°C stand.
Oberflächentemperatur von Hyperschallflugzeugen:
Bei einem Hyperschallflugzeug mit einer Geschwindigkeit von etwa 6200 km/h (Mach 5)
Die Oberflächentemperatur eines Flugzeugkörpers soll mehrere tausend Grad Celsius erreichen.
Siliziumhaltige Verbindungen:
Materialien, die das aushalten
„Verbundwerkstoffe aus Ultrahochtemperatur-Keramik und Siliziumkarbid“ ziehen Aufmerksamkeit auf sich.
Jedoch,
Siliziumhaltige Verbindungen sind
„Materialverschlechterung aufgrund von Zustandsänderung und chemischer Änderung in einer Umgebung mit extrem hoher Temperatur“ ist ein Anliegen.
Neues Verbundmaterial
C/UHTCMC
Neues silikonfreies Material C/UHTCMC,
Es wurde nach dem Schmelzimprägnierungsverfahren synthetisiert und seine Eigenschaften wurden im Detail untersucht.
Insbesondere wurden „drei Arten von C/UHTCMC mit unterschiedlichen Gehalten an Zr und Ti“ hergestellt.
3 Arten von C/UHTCMC:
„Neues siliziumfreies Verbundmaterial C/UHTCMC“
Es wurde nach dem Schmelzimprägnierungsverfahren synthetisiert und seine Eigenschaften wurden im Detail untersucht.
Insbesondere wurden drei Arten von C/UHTCMC mit unterschiedlichen Gehalten an Zr und Ti hergestellt.
Das Zusammensetzungsverhältnis von Zr und Ti ist
“Z20” um 20:80,
36:64 “Z36”,
Es ist 80:20 “Z80”.
diese,
Düsenabstand 150 mm, Wärmestrom 2 MW/m2,
Abstand zwischen den Düsen 100 mm, 4,54 MW/m2
Abstand zwischen den Düsen 80 mm, 6,68 MW/m2
Lichtbogen-Windkanal-Tests wurden unter drei verschiedenen Bedingungen durchgeführt, um die Abnutzung jedes Materials zu bewerten.
Versuchsergebnis:
Wenn der Zr-Gehalt zunimmt, nimmt die Dicke des Materials nach dem Testen zu.
Auch der Schmelzpunkt von an der Oberfläche gebildeten Oxiden wird erhöht.
wieder,
Die auf der Oberfläche des Materials erzeugte flüssige Phase fließt zur äußeren Oberfläche und fördert die Oxidation des Verbundmaterials.
Carbid, das eine große Menge an Zr enthält, ist
als Karbide mit hohem Ti-Gehalt,
Der Abbau von Verbundmaterialien kann unterdrückt werden.
Ti- und Zr-Oxide:
Das auf der Materialoberfläche gebildete Oxid wurde bewertet.
Ti- und Zr-Oxide sind hauptsächlich
“TiO2 feste Lösung”
„Mischkristall ZrTiO4“
Es ist eine “ZrO2 feste Lösung”.
Es wurde festgestellt, dass diese Substanzen “eine weitere Oxidation des Verbundstoffs reduzieren”.
Insbesondere “hat Z80 eine geringere Reduktion in Umgebungen mit ultrahohen Temperaturen und eine hohe Oxidationsbeständigkeit.”
Wir haben festgestellt, dass es am besten für hitzebeständige Materialien geeignet ist.
– EE Times Japan
Characterization of carbon fiber-reinforced ultra-high temperature ceramic matrix composites fabricated via Zr-Ti alloy melt infiltration
– ScienceDirect
Abstract
Carbon fiber-reinforced ultra-high temperature ceramic matrix composites (C/UHTCMCs)
were fabricated via Zr-Ti alloy melt infiltration (Zr-Ti MI) using carbon-carbon composite (C/C) preforms and alloys with three different compositions.
Alloys were successfully infiltrated into C/C to form solid solutions of TiC and ZrC,
with melting temperatures > 2900 °C. Notably, residual alloys were not observed after MI occurred at 1750 °C.
Bending strength and fracture toughness of the C/UHTCMCs at room temperature and 1500 °C in air/Ar
revealed that mechanical properties of the composites were similar to those of the C/C preform.
During arc wind tunnel tests at 2000 °C, a recession of C/UHTCMCs fabricated using Ti-rich alloys was observed;
however, this behavior was not observed for the composites prepared using Zr-rich alloys owing to the formation of a ZrO2 solid solution.
Accordingly, Zr-Ti MI is a viable method for preparing C/UHTCMCs without degrading the mechanical properties of the C/C preform, while increasing the ablation resistance.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0955221922004915