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Campo aerospaziale
I materiali ceramici speciali ad alte prestazioni, chiamati anche ceramiche avanzate, si riferiscono principalmente a materiali ceramici con proprietà uniche ed eccellenti, che vengono preparati da composti inorganici sintetici di elevata purezza utilizzando processi materiali moderni. Pertanto, il materiale viene utilizzato per la preparazione di compositi a matrice ceramica (CMC) con i vantaggi di bassa densità, resistenza all'ossidazione ad alta temperatura, resistenza alla corrosione, basso coefficiente di dilatazione termica, basso scorrimento, ecc. Ha una vasta gamma di applicazioni in settori ad alta tecnologia come aviazione/aerospaziale/armi/marina. Tra questi, i compositi ceramici a base di carburo di silicio sono i materiali ceramici speciali ad alte prestazioni più intensamente studiati e meglio commercializzati.
Rotore turbina con pale composite a matrice ceramica
Al fine di migliorare l'efficienza di uscita dei motori a combustione, i motori aerospaziali, i componenti hot-end delle turbine a gas devono resistere a temperature elevate di 600 ℃ ~ 1200 ℃ e all'interazione di sollecitazioni complesse, i requisiti dei materiali sono molto esigenti. Rispetto alle leghe per alte temperature, il carburo di silicio non solo può resistere alle alte temperature, la sua densità è solo 1/4 ~ 1/3 delle leghe per alte temperature, il che significa che il peso del motore può essere ulteriormente ridotto, lo stesso carico di carburante , la portata dell'aereo e il carico di bombe possono essere notevolmente aumentati.
Dal lato della domanda, con la finalizzazione di motori aeronautici ad alto rapporto spinta-peso, l'urgente necessità di tecnologia per veicoli spaziali e il rapido sviluppo, il CMC, come materiale di nuova generazione, ha già mostrato un grande potenziale di sviluppo in applicazioni militari e civili . Secondo le previsioni di MarketsandMarkets, il mercato globale dei compositi a matrice ceramica crescerà rapidamente a un CAGR del 9,65% durante il periodo di 10 anni 2016-2026, raggiungendo i 7,51 miliardi di dollari entro il 2026.
Le fibre estere di carburo di silicio hanno iniziato presto e hanno forti riserve tecniche. A causa delle barriere tecniche estremamente elevate, i prezzi sono costantemente elevati e sono costantemente sottoposti a embargo per la Cina.
Compositi a matrice ceramica
Cos'è il materiale composito a matrice ceramica? È un tipo di materiale composito con ceramica come matrice e varie fibre. La matrice ceramica può essere ceramica strutturale ad alta temperatura come nitruro di silicio e carburo di silicio. Queste ceramiche avanzate hanno proprietà eccellenti come resistenza alle alte temperature, elevata resistenza e rigidità, peso relativamente leggero e resistenza alla corrosione, mentre la debolezza fatale è che sono fragili e si rompono o addirittura si fratturano quando si trovano in uno stato di stress che porta al cedimento del materiale. L'uso di fibre composite ad alta resistenza ed elasticità con la matrice è un modo efficace per migliorare la tenacità e l'affidabilità della ceramica. L'uso di fibre composite ad alta resistenza ed elasticità con la matrice è un modo efficace per migliorare la tenacità e l'affidabilità della ceramica. Le fibre possono impedire l'espansione delle fessure, ottenendo così compositi a matrice ceramica rinforzati con fibre con ottima tenacità.
I compositi a matrice ceramica sono stati utilizzati come ugelli per motori a razzo liquido, coperture per antenne missilistiche, coni per navette spaziali, dischi freno per aerei e dischi freno per automobili di alta qualità, ecc., diventando un ramo importante di nuovi materiali per l'alta tecnologia.
Poiché i materiali ceramici hanno un'eccellente resistenza all'usura, un'elevata durezza e una buona resistenza alla corrosione, hanno ottenuto un'applicazione molto ampia. Tuttavia, il più grande svantaggio della ceramica è che sono fragili e sensibili a crepe e porosità, ecc. Dagli anni '80, i compositi a base ceramica ottenuti aggiungendo particelle, baffi e fibre ai materiali ceramici hanno notevolmente migliorato la tenacità della ceramica.
Compositi a matrice ceramica con elevata resistenza, alto modulo, bassa densità, resistenza alle alte temperature, resistenza all'usura e alla corrosione e buona tenacità sono stati utilizzati in utensili da taglio ad alta velocità e componenti di motori a combustione interna. Tuttavia, lo sviluppo di questi materiali è in ritardo e il loro potenziale deve ancora essere ulteriormente sfruttato. La ricerca si concentra sulla loro applicazione a materiali ad alta temperatura e materiali resistenti all'usura e alla corrosione, come turbine potenziate per motori a combustione interna ad alta potenza, componenti termici per veicoli aerospaziali e invece del metallo per motori di veicoli, contenitori petrolchimici, apparecchiature per il trattamento dell'incenerimento dei rifiuti , eccetera.
Quando si parla di ceramica, viene spontaneo pensare alla sua caratteristica di fragilità. Una decina di anni fa, sarebbe stato impossibile per chiunque accettarlo se fosse stato utilizzato come parte portante nel campo dell'ingegneria. Fino ad ora quando si tratta di compositi ceramici, alcune persone potrebbero non essere consapevoli del fatto che la ceramica e i materiali erano originariamente due materiali di base non correlati, ma è solo da quando le persone hanno combinato abilmente ceramica e metalli che il concetto di questo materiale è cambiato radicalmente, il che è compositi a matrice ceramica.
I compositi a matrice ceramica sono una nuova promettente strutturamateriale nell'industria aerospaziale, in particolare nelle applicazioni di produzione di motori aeronautici, che mostrano sempre più la loro unicità. Oltre ai vantaggi della leggerezza e dell'elevata durezza, i compositi a matrice ceramica hanno anche un'eccellente resistenza all'elevata durezza, i compositi a matrice ceramica hanno anche un'eccellente resistenza alle alte temperature e resistenza alla corrosione alle alte temperature. Attualmente, i compositi a matrice ceramica hanno superato i materiali metallici resistenti al calore in termini di resistenza alle alte temperature e hanno eccellenti proprietà meccaniche e stabilità chimica, rendendoli un materiale eccellente ideale per la regione ad alta temperatura dei motori a turbina ad alte prestazioni.
I paesi di tutto il mondo si stanno concentrando sui materiali ceramici rinforzati con nitruro di silicio e carburo di silicio in risposta ai requisiti dei materiali dei motori avanzati di prossima generazione e sono stati compiuti grandi progressi, in particolare per le applicazioni nei moderni motori aeronautici. Ad esempio, il motore F120 dell'aereo di prova statunitense, le sue guarnizioni della turbina ad alta pressione, parte delle parti ad alta temperatura della camera di combustione, sono realizzate in materiali ceramici. Ad esempio, anche la camera di combustione e l'ugello del motore francese M88-2 sono realizzati in compositi a base di ceramica.
Compositi carbonio/carbonio
Cos'è il composito carbonio/carbonio? È un materiale composito a matrice di carbonio rinforzato con fibra di carbonio e il suo tessuto. Presenta i vantaggi di bassa densità (<2,0 g/cm³), elevata resistenza, modulo specifico e conducibilità termica, basso coefficiente di espansione, buone prestazioni di attrito, nonché buona resistenza agli shock termici e elevata stabilità dimensionale, in particolare è uno dei i pochi materiali alternativi applicati al di sopra di 1650 ℃ e la temperatura teorica più alta è addirittura superiore a 2600 ℃, quindi è considerato uno dei materiali ad alta temperatura più promettenti al mondo.
Sebbene i compositi carbonio/carbonio abbiano molte eccellenti proprietà ad alta temperatura, subiscono l'ossidazione in un ambiente aerobico a temperature superiori a 400 ℃, con conseguente drastico degrado delle prestazioni del materiale. Pertanto, l'applicazione di compositi carbonio/carbonio in ambienti aerobici ad alta temperatura deve avere una misura di protezione dall'ossidazione. La protezione dall'ossidazione dei compositi carbonio/carbonio avviene principalmente in due modi, vale a dire, a temperature più basse, è possibile adottare la modifica della matrice e la passivazione dei siti attivi in superficie per proteggere i compositi carbonio/carbonio dal contatto diretto con l'ossigeno ai fini della protezione dall'ossidazione. Attualmente il metodo più utilizzato è il metodo di rivestimento, poiché la tecnologia continua ad avanzare, c'è una crescente dipendenza dalle prestazioni a temperature ultra elevate dei compositi carbonio/caborn e l'unica soluzione di protezione dall'ossidazione fattibile in condizioni di temperatura ultra0 elevata può essere solo la protezione del rivestimento .
Vale la pena ricordare che i compositi a matrice C/C sono uno dei nuovi materiali più apprezzati per la resistenza alle temperature più elevate nel mondo negli ultimi anni. Perché solo il materiale composito C/C è considerato l'unico materiale che può essere realizzato come successore delle pale del rotore della turbina con rapporto spinta-peso superiore a 20 e temperatura di ingresso del motore fino a 1930-2227 ℃. Era il materiale resistente alle alte temperature che gli Stati Uniti si sono concentrati sullo sviluppo nel 21° secolo, in particolare l'obiettivo strategico più alto che i paesi industriali avanzati di tutto il mondo hanno cercato di perseguire.
I cosiddetti compositi a matrice C/C sono compositi di base in carbonio rinforzati con fibra di carbonio, che combinano la fusibilità del carbonio con l'elevata resistenza e l'elevata rigidità della fibra di carbonio in uno, in modo da mostrare danni non fragili. Poiché il composito a matrice C/C ha un peso leggero, un'elevata resistenza, una stabilità termica superiore e un'eccellente conduttività termica, è oggi il materiale resistente alle alte temperature più ideale, specialmente nell'ambiente ad alta temperatura di 1000-1300 ℃, la sua forza non solo non diminuire, ma può aumentare. In particolare, mantiene ancora la forza e la ventosità nell'ambiente a temperatura ambiente quando è inferiore a 1650 ℃. Pertanto, i compositi a matrice C/C hanno un grande potenziale di sviluppo nell'industria manifatturiera aerospaziale.
Vale la pena ricordare che uno dei problemi principali dei compositi a base di C/C nelle applicazioni dei motori aeronautici è la scarsa resistenza all'ossidazione, quindi negli ultimi anni gli Stati Uniti hanno adottato una serie di misure di processo per risolvere questo problema e applicarlo gradualmente a nuovi motori. Ad esempio, anche l'ugello di coda del motore F119, l'ugello e la camera di combustione sono realizzati in materiali compositi a base C/C.
Campo portante meccanico
I cuscinetti sono un componente estremamente importante delle apparecchiature meccaniche e sono molto comunemente utilizzati. La sua funzione principale è supportare il corpo rotante meccanico, ridurre il suo coefficiente di attrito durante lo spostamento e garantirne la precisione di rotazione. Il suo ruolo è simile a quello delle articolazioni umane, conosciute come "le articolazioni delle macchine", è l'anima di tutte le rotazionimacchinari, quindi è anche conosciuto come il chip dell'industria dei macchinari.
Il materiale in nitruro di silicio è un cristallo artificiale ad alta resistenza con bassa densità, elevata durezza, resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione, isolamento elettrico, non permeabilità, elevata resistenza alla compressione, buone proprietà autolubrificanti e molti altri punti. Il cuscinetto cermaico ibrido è costituito dai vantaggi dell'elevata resistenza alla compressione del materiale in nitruro di silicio e dell'elevata resistenza alla flessione e della buona tenacità dell'acciaio legato e presenta una serie di vantaggi come leggerezza, elevata velocità finale, coppia di attrito ridotta, buona precisione di marcia e lunga durata alle alte temperature rispetto ai normali cuscinetti a sfera in acciaio.
I cuscinetti a sfera in ceramica al nitruro di silicio sono i cuscinetti in ceramica di fascia alta più ricercati, più performanti e più utilizzati al mondo. I cuscinetti a sfera in ceramica al nitruro di silicio sono quasi sinonimo di cuscinetti in ceramica. Secondo i dati del Foresight Industrial Reserach Institute, la dimensione al dettaglio del mercato delle sfere ceramiche al nitruro di silicio ha raggiunto i 70,1 miliardi di yuan nel 2020, la dimensione del mercato dovrebbe raggiungere i 72,3 miliardi di yuan nel 2021, con un tasso di crescita composto annuo medio dell'11,26%. nei prossimi cinque anni e dovrebbe raggiungere i 110,8 milioni di yuan nel 2025, con i veicoli di nuova energia come principale punto di crescita.
Dal lato dell'offerta, i principali produttori globali di sfere di nitruro di silicio includono Toshiba, Tsubaki, Nakashima, CoorsTek, AKS e IndustrialTectonicsInc, che rappresentano il 45% della quota di mercato globale delle sfere di nitruro di silicio. L'Asia Pacifico è attualmente il più grande mercato per le sfere di nitruro di silicio con una quota di mercato del 48%, seguita da Europa e Nord America.
Nuovi campi energetici
Insieme al rapido sviluppo della tecnologia elettronica e alla domanda globale di veicoli a nuova energia, le batterie agli ioni di litio dominano il mercato in molte applicazioni con i vantaggi di elevata capacità, leggerezza, ricaricabilità e bassa autoscarica. Allo stato attuale, la Cina è la più grande base di produzione di batterie al litio al mondo, il potenziale di sviluppo delle batterie al litio cinesi è enorme. Tuttavia, ci sono ancora problemi con la sicurezza e il ciclo di vita delle batterie agli ioni di litio, come il verificarsi di numerose autocombustioni di telefoni cellulari, incendi di auto elettriche, esplosioni e altri incidenti per dare l'allarme di sicurezza.
Sem e schema della struttura del diaframma composito ceramico AlOOH
I materiali di rivestimento del diaframma in ceramica sono generalmente scelti tra allumina e boehmite. La batteria agli ioni di litio è composta da quattro parti: elettrodo (positivo e negativo), isolato (diaframma), elettrolita e guscio, di cui il diaframma è uno dei componenti interni chiave, che non solo consente agli ioni di litio di essere incorporati e de -incorporato tra gli elettrodi positivi e negativi per garantire le prestazioni cicliche della batteria, ma isola anche gli elettrodi positivi e negativi durante l'ingegneria del lavoro per garantire le prestazioni di sicurezza della batteria. Per considerazioni sulle prestazioni del ciclo e sulle prestazioni di sicurezza, i produttori di diaframmi nazionali ed esteri si rivolgono al diaframma ceramico, poiché la resistenza ai solventi organici del diaframma ceramico, la buona compatibilità con l'elettrolita, l'alto tasso di assorbimento, l'elevata resistenza alla trazione, l'elevata resistenza alla perforazione, il basso restringimento termico, l'elevata rottura del film temperatura, basso tasso di restringimento termico.
Secondo il brevetto di invenzione del separatore di batterie al litio di BYD "un separatore di batterie e il suo metodo di preparazione" (CN201310750910.7), nell'impasto liquido di rivestimento inorganico, il rapporto di massa dell'acqua è del 76% e il rapporto di massa delle particelle di rivestimento ceramico in materiale solido e resina i materiali sono rispettivamente del 22% e del 2%. Pertanto, le particelle di rivestimento ceramico rappresentate dal bomite sono le materie prime più importanti per i materiali di rivestimento delle batterie al litio.
Dal lato della domanda, secondo il "White Paper on China Lithium-ion Battery Separator Industry (2020)" pubblicato congiuntamente dall'istituto di ricerca EVTank e Ivey Institute of Economics, la spedizione di materiali di rivestimento per batterie al litio in Cina nel 2019 è di 15.500 tonnellate, di cui vengono spedite 14.000 tonnellate di materiali di rivestimento inorganici, pari al 90,32%, materiali di rivestimento organici, combinazione organica e inorganica di materiali di rivestimento rappresentano meno del 10%, materiali di rivestimento inorganici per il mainstream dei materiali di rivestimento del mercato. Si prevede che la quantità di materiali di rivestimento inorganici raggiungerà i 4,04 miliardi di metri quadrati nel 2025.
Lato offerta, con l'espansione dei materiali in porcellana nazionale, il campo del rivestimento ceramico domestico mostrerà due modelli di concorrenza grandi e piccoli. Nel campo dei materiali di rivestimento per batterie al litio, secondo le statistiche, nel 2019, la batteria al litio tedesca NabaltecAG con spedizioni Bumite di 0,48 milioni di tonnellate, pari al 37%, al primo posto al mondo, batteria al litio One Stone con spedizioni Bumite di 0,47 milioni tonnellate, pari al 36%, al secondo posto nel mondo,il primo domestico.
Campo di assorbimento dei gas di scarico del veicolo
Negli ultimi anni, poiché il governo cinese attribuisce grande importanza alle questioni di protezione ambientale, le normative sulle emissioni diesel per impieghi gravosi sono state aggiornate e i limiti stanno diventando sempre più severi. L'imminente standard National VI è considerato uno degli standard di emissione più severi al mondo.
Le ceramiche a nido d'ape sono materiali ceramici con un gran numero di passaggi interni a nido d'ape. Le ceramiche cellulari presentano i vantaggi di un'elevata densità dei pori e di un'ampia superficie specifica; basso coefficiente di dilatazione termica e buona stabilità termica; resistenza agli acidi e agli alcali e solventi organici, buona resistenza alla corrosione; eccellenti proprietà meccaniche; eccellenti proprietà antibatteriche, ecc. Sono utilizzati principalmente come supporti di dispositivi catalitici per catalizzatori attivi e operazioni di caricamento di additivi catalitici e sono i supporti catalitici più comuni per i catalizzatori di trattamento dei gas di scarico.
Il mercato interno della ceramica a nido d'ape è ancora monopolizzato da imprese straniere e il settore degli affari nazionali ha un ampio spazio per la sostituzione delle importazioni.
La polvere di allumina ad alta purezza è micro polvere bianca, dimensione delle particelle uniforme, facile da disperdere, proprietà chimiche stabili, prestazioni di restringimento ad alta temperatura moderate, con buone prestazioni di sinterizzazione; ampiamente utilizzato nel rivestimento ceramico dei gas di scarico automobilistici. I componenti attivi nei catalizzatori di scarico per autoveicoli di solito devono essere fissati al rivestimento per garantire una certa dispersione, stabilità termica e resistenza meccanica. Tra i vari tipi cristallini di allumina, γ-Al2O3 ha una forte capacità di adsorbimento e un'ampia superficie specifica ed è il principale materiale di rivestimento attualmente utilizzato.
Secondo i sei standard nazionali, il DOC e il DPF dei veicoli diesel saranno utilizzati per il rivestimento di allumina e, secondo le statistiche della Cellular Ceramic Association, il volume del rivestimento è circa il 20% del volume della ceramica cellulare, che può essere calcolato a essere utilizzato nei veicoli diesel a circa 120 g/L. Si stima che la domanda interna di allumina raggiungerà le 11.171 tonnellate nel 2022.
Questo articolo è tratto da iacechina.com
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