La fibre de carbure de silicium présente les avantages d'une résistance à l'oxydation à haute température, d'une dureté élevée, d'une résistance élevée, d'une stabilité thermique élevée, d'une résistance à la corrosion et d'une faible densité.
La fibre de carbure de silicium présente les avantages suivants : résistance à l'oxydation à haute température, dureté élevée, résistance mécanique élevée, stabilité thermique élevée, résistance à la corrosion et faible densité. C'est l'un des matériaux les plus performants pour l'aéronautique, notamment en termes de résistance aux hautes températures, de renforcement et de discrétion. Sa faible section efficace d'absorption neutronique lui confère de vastes perspectives d'application dans l'aéronautique, l'aérospatiale, l'énergie nucléaire et d'autres secteurs.
- 1. Expertise technique des matériaux de structure haute température pour moteurs aéronautiques
Un rapport poussée/poids élevé est l'objectif constant des moteurs aéronautiques de pointe. À mesure que ce rapport augmente, la température d'admission de la turbine continue d'augmenter, et les alliages haute température existants peinent à répondre aux exigences des moteurs aéronautiques de pointe. Par exemple, la température d'admission de la turbine des moteurs actuels présentant un rapport poussée/poids de 10 atteint 1 500 °C, tandis que la température moyenne d'admission de la turbine des moteurs présentant un rapport poussée/poids de 12 à 15 dépasse 1 800 °C, ce qui est bien supérieur à la température d'utilisation des alliages haute température et des composés intermétalliques. Actuellement, la température de fonctionnement des alliages haute température à base de nickel offrant la meilleure résistance thermique ne peut atteindre qu'environ 1 100 °C. Le SiCf/SiC, quant à lui, peut atteindre 1 650 °C, ce qui en fait le matériau idéal pour les composants structuraux des extrémités chaudes des moteurs aéronautiques.
Dans les pays aéronautiques développés comme l'Europe et les États-Unis, le SiCf/SiC a été pratiquement utilisé et produit en masse dans les pièces statiques des moteurs d'avion, notamment les modèles M53-2, M88, M88-2, F100, F119, EJ200, F414, F110, F136 et d'autres. Moteurs d'avions militaires/civils.
Bien que mon pays ait classé la recherche sur les technologies d'application des composites à matrice céramique en carbure de silicium (CMC-SiC) comme un domaine de développement clé depuis les années 1980, en janvier 2022, un moteur aérospatial construit par NPU utilisant de nouveaux matériaux composites à matrice céramique nationaux, le disque de turbine intégré, a réussi son premier essai en vol. Il s'agit également du premier essai en vol national d'une plateforme d'assemblage de rotor en composite à matrice céramique, marquant une nouvelle avancée importante dans la technologie clé de notre moteur aéronautique. Cependant, jusqu'à présent, le champ d'application et la durée d'évaluation cumulée du CMC-SiC dans mon pays sont très limités, et il existe un écart considérable avec la recherche appliquée en ingénierie étrangère.
- 2. Les matériaux furtifs rivalisent pour les armements de haute technologie
Avec le développement rapide des technologies radio modernes et des systèmes de détection radar, la technologie furtive, en tant que moyen efficace d'améliorer la surviabilité et les capacités de pénétration des systèmes d'armes, notamment en matière de frappe en profondeur, est devenue un sujet brûlant parmi les puissances militaires en compétition pour l'armement de haute technologie. L'utilisation de matériaux furtifs est actuellement la solution la plus efficace et la plus viable pour la furtivité radar. Pour les matériaux furtifs utilisés dans des environnements spécifiques, outre la réduction des conditions de base telles que la détectabilité, ils doivent également présenter une bonne stabilité thermique et une bonne résistance à la corrosion. Par exemple, les tuyères de queue des moteurs, les bords d'ailes et autres pièces des chasseurs furtifs volant à grande vitesse seront soumis à l'épreuve de l'oxydation à haute température et des impacts répétés à haute et basse température. Le SiCf/SiC présente non seulement d'excellentes propriétés mécaniques, une résistance à l'oxydation et une durée de vie prolongée à haute température, mais aussi de bonnes propriétés d'absorption des ondes, ce qui répond aux exigences des pièces d'armes et d'équipements haute température, telles que la surface des avions supersoniques, les tuyères de queue des moteurs et les nez des missiles de croisière. Exigences de furtivité, vastes perspectives d'application.
- 3. Faible section efficace d'absorption des neutrons, démontrant une grande puissance dans le domaine des réacteurs nucléaires
Avec l'importance croissante accordée aux questions de sûreté des réacteurs, la quasi-totalité des éléments de combustion en alliage de zirconium utilisés dans les centrales nucléaires commerciales à réacteurs à eau actuelles ont été réexaminés, et les nouveaux éléments combustibles utilisant du carbure de silicium comme matériau de gainage ou de matrice sont devenus un nouveau pôle de recherche. Les éléments combustibles sont les composants essentiels des réacteurs nucléaires, et leurs indicateurs de performance affectent directement la sûreté et l'économie du réacteur. Le SiCf présente d'excellentes propriétés telles qu'une résistance à haute température, une dureté élevée, une bonne résistance à l'usure, une bonne résistance aux chocs thermiques, une conductivité thermique élevée, une forte résistance à l'oxydation et à la corrosion chimique. Sa faible section efficace d'absorption neutronique, sa faible activité inhérente et sa faible chaleur résiduelle le rendent adapté au domaine des réacteurs nucléaires et offre de bonnes perspectives d'application dans les réacteurs à eau légère, les réacteurs à sels fondus et les réacteurs rapides refroidis au gaz.
La technologie de pointe a toujours été maîtrisée par le Japon et les États-Unis
Depuis sa création il y a 40 ans, la fibre SiC a connu un développement rapide. Selon sa composition et sa structure, elle se divise en fibres de première, deuxième et troisième génération. La première génération est composée de fibres de carbure de silicium à haute teneur en oxygène et en carbone, la deuxième génération est composée de fibres de carbure de silicium à faible teneur en oxygène et à haute teneur en carbone, et la troisième génération est composée de fibres de carbure de silicium à rapport quasi stœchiométrique. Dans le développement de la fibre SiC, des pays comme le Japon et les États-Unis ont toujours pris l'initiative face à la concurrence.
Percée de la première génération de fibres SiC
Dans les années 1980, notre pays a réalisé que la fibre de carbure de silicium, en tant que nouveau matériau, avait une valeur d'application potentielle dans le domaine aérospatial. Il a donc commencé tôt, planifié à l'avance et spécialement organisé des chercheurs scientifiques compétents de l'Université nationale de technologie de la défense pour établir un groupe de recherche sur la fibre SiC.
Après 2000, mon pays est entré dans la phase de recherche d'application de la première génération de fibres SiC et a commencé des recherches ardues et le développement industriel de fibres SiC développées indépendamment.
En 2005, grâce à l'impulsion de la province du Jiangsu et de la municipalité de Suzhou, le développement industriel de la fibre continue de carbure de silicium résistante aux hautes températures a été mis en œuvre et une solide équipe de recherche scientifique a été constituée. Grâce à un travail acharné et à une recherche et développement indépendants, l'équipement clé a été fabriqué en interne et est devenu la première entreprise nationale à assurer la production continue de fibres de carbure de silicium, brisant ainsi le blocus technique et le monopole de longue date du Japon, des États-Unis et d'autres pays sur ce type de matériaux militaires sensibles.
Rattraper son retard sur les fibres SiC continues de deuxième génération
Au cours des 10 dernières années, le développement des moteurs aérospatiaux a mis en avant des exigences claires en matière de fibres SiC continues résistantes aux hautes températures, ce qui a directement favorisé le développement de la technologie d'ingénierie pour les fibres SiC de deuxième et troisième génération.
Face aux inconvénients de la forte teneur en oxygène des fibres SiC de première génération, qui limite leur température d'utilisation à long terme dans l'air à plus de 1 050 °C, l'Université nationale de technologie de la défense a lancé des recherches technologiques clés sur les fibres SiC de deuxième génération. Tout en préservant la réactivité du polycarbosilane, en optimisant sa composition et sa structure, nous avons réalisé des avancées majeures dans la synthèse de polycarbosilanes à point de ramollissement élevé, dotés d'une bonne filabilité et d'un traitement sans oxygène et sans fusion, et optimisé les processus de pré-cuisson et de cuisson finale. Nous maîtrisons la technologie de préparation technique des fibres SiC continues de deuxième génération, bénéficiant de droits de propriété intellectuelle indépendants.
Au cours de la période du « Douzième Plan Quinquennal », un total de plus de 600 kilogrammes de fibres et de tissus SiC continus de deuxième génération ont été fournis à AVIC, Aerospace Science and Technology Group et à d'autres unités utilisatrices, qui ont initialement répondu à la demande urgente de fibres SiC continues de deuxième génération pour les moteurs aérospatiaux avancés et autres.
Jusqu'à présent, la fibre SiC continue a fait de grands progrès en termes de types de produits, de performances et de rendement, et a initialement brisé une série de mesures de blocus étrangères qui imposaient un embargo sur la technologie de préparation, l'équipement de traitement et les produits de la fibre SiC continue.
L'épée pointe vers la fibre SiC de troisième génération
Afin d'améliorer encore les performances à haute température des fibres SiC domestiques, l'Université nationale de technologie de défense a lancé le développement de fibres SiC de troisième génération. Les fibres de troisième génération développées par l'Université nationale de technologie de défense comprennent principalement les fibres KD-S et KD-SA. La première est principalement utilisée dans le domaine de l'énergie nucléaire avancée, tandis que la seconde est principalement utilisée dans les matériaux de structure haute température. La fibre KD-S utilise une méthode d'hydrocalcination pour éliminer le carbone, présente une composition quasi stœchiométrique et une résistance à la traction supérieure à 2,5 GPa. La fibre KD-SA adopte un procédé de préparation similaire à la fibre Tyranno SA. Le précurseur, le polyaluminocarbosilane, est préparé à partir de polycarbosilane de faible poids moléculaire et d'acétylacétonate d'aluminium ou de chlorure d'aluminium. La fibre KD-SA a réalisé d'importants progrès et présente une résistance élevée. Au-delà de 2,2 GPa, son module de traction atteint 380 GPa. De plus, afin de répondre à la demande de matériaux structurels furtifs à haute température, l'Université nationale de technologie de défense a également mené des recherches sur les fibres absorbantes.
Les forces de R&D et d'industrialisation se développent progressivement
Ces dernières années, de nombreuses unités se sont lancées dans la recherche et la production de fibres de carbure de silicium. Elles ont également construit une plateforme pilote d'équipements de recherche pour les fibres SiC continues et développé des fibres SiC de deuxième génération utilisant la technologie de réticulation par irradiation par faisceau d'électrons. La méthode de réduction H2 a été utilisée pour étudier la préparation de fibres avec des rapports quasi stœchiométriques, grâce à une méthode de préparation similaire à la fibre Hi-Nicalon S japonaise. Des échantillons de fibres SiC continues ont été produits. Parallèlement, une méthode similaire à celle de Tyranno SA a également été utilisée pour préparer des fibres Si-Al-C. Exploration préliminaire.
Motivées par les avantages sociaux et économiques des fibres continues de SiC, les entreprises ont également commencé à participer au développement de ces fibres et à développer des produits à base de fibres continues de SiC. À l'heure actuelle, la production de fibres continues de SiC de première génération à l'échelle de la tonne est atteinte.
Avec l'accélération de la modernisation de la défense nationale, de la puissance militaire et des technologies d'armement, les fibres hautes performances se sont rapidement développées dans divers domaines. Parmi les fibres hautes performances, la fibre de carbure de silicium présente une excellente résistance aux hautes températures et à la corrosion, et son absorption des ondes a suscité un vif intérêt.
Bien que nous ayons été bloqués par la technologie pendant des décennies, nous n'avons heureusement jamais renoncé à rattraper notre retard. Actuellement, certains niveaux technologiques de préparation de fibres de carbure de silicium en Chine sont proches des niveaux internationaux avancés, mais globalement, un certain retard subsiste par rapport aux pays étrangers, notamment en matière de production industrielle. La fibre de carbure de silicium est un nouveau matériau de réserve stratégique national, et le pays accroît son déploiement et ses investissements. Nous pensons que dans un avenir proche, notre pays maîtrisera progressivement la technologie de base de la fibre de carbure de silicium et en assurera la production industrielle.
