ไฟเบอร์-ซิลิกอนคาร์ไบด์ประสิทธิภาพสูงใหม่

เส้นใยซิลิกอนคาร์ไบด์มีข้อดีคือ ทนทานต่อการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง มีความแข็งสูง ความแข็งแรงสูง ทนความร้อนสูง ทนต่อการกัดกร่อน และมีความหนาแน่นต่ำ ถือเป็นหนึ่งในวัสดุที่ทนทานต่ออุณหภูมิสูง เสริมแรง และล่องหนได้ดีที่สุดสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ นอกจากนี้ยังมีหน้าตัดการดูดกลืนนิวตรอนขนาดเล็ก จึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมการบิน อวกาศ พลังงานนิวเคลียร์ และสาขาอื่นๆ

อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักที่สูงเป็นเป้าหมายที่เครื่องยนต์อากาศยานขั้นสูงกำลังมุ่งหน้าอย่างต่อเนื่อง เมื่ออัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้น อุณหภูมิทางเข้าของกังหันก็จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และระบบวัสดุโลหะผสมอุณหภูมิสูงที่มีอยู่ในปัจจุบันก็ยากที่จะตอบสนองความต้องการของเครื่องยนต์อากาศยานขั้นสูงได้ ยกตัวอย่างเช่น อุณหภูมิทางเข้าของกังหันของเครื่องยนต์ปัจจุบันที่มีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก 10 สูงถึง 1,500°C และอุณหภูมิทางเข้าเฉลี่ยของกังหันของเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก 12 ต่อ 15 จะสูงกว่า 1,800°C ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิการใช้งานของโลหะผสมอุณหภูมิสูงและสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกอย่างมาก ปัจจุบัน อุณหภูมิการทำงานของวัสดุโลหะผสมอุณหภูมิสูงที่มีส่วนผสมของนิกเกิลและทนความร้อนได้ดีที่สุดนั้นอยู่ที่ประมาณ 1,100°C เท่านั้น อุณหภูมิการทำงานของ SiCf/SiC สามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 1,650°C และถือเป็นวัสดุส่วนประกอบโครงสร้างฮอทเอนด์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเครื่องยนต์อากาศยาน

ในประเทศที่พัฒนาแล้วด้านการบิน เช่น ยุโรปและสหรัฐอเมริกา มีการใช้ SiCf/SiC ในทางปฏิบัติและผลิตเป็นจำนวนมากในชิ้นส่วนคงที่ของเครื่องยนต์อากาศยาน ได้แก่ M53-2, M88, M88-2, F100, F119, EJ200, F414, F110, F136 และรุ่นอื่นๆ รวมถึงเครื่องยนต์อากาศยานทางทหาร/พลเรือน

แม้ว่าประเทศของผมจะระบุเทคโนโลยีการประยุกต์ใช้คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ (CMC-SiC) ไว้เป็นพื้นที่พัฒนาหลักมาตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1980 และในเดือนมกราคม 2022 เครื่องยนต์อากาศยานที่สร้างโดย NPU โดยใช้วัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกใหม่ในประเทศ ดิสก์เทอร์ไบน์แบบรวมก็ประสบความสำเร็จในการทดสอบการบินครั้งแรก นี่เป็นการทดสอบการบินทางอากาศครั้งแรกภายในประเทศของแพลตฟอร์มประกอบโรเตอร์คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิก ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าสำคัญอีกประการหนึ่งในเทคโนโลยีหลักของเครื่องยนต์อากาศยานของเรา อย่างไรก็ตาม ขอบเขตการใช้งานและระยะเวลาในการประเมินสะสมของ CMC-SiC ในประเทศของผมยังมีจำกัดมาก และยังมีช่องว่างขนาดใหญ่กับการวิจัยการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมในต่างประเทศ

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีวิทยุและระบบตรวจจับเรดาร์สมัยใหม่ เทคโนโลยีสเตลท์ซึ่งเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มความสามารถในการเอาชีวิตรอดและการเจาะทะลุของระบบอาวุธ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความสามารถในการโจมตีในแนวดิ่ง ได้กลายเป็นประเด็นร้อนในหมู่มหาอำนาจทางทหารที่กำลังแข่งขันกันเพื่อแย่งชิงอาวุธไฮเทค การใช้เทคโนโลยีวัสดุสเตลท์ถือเป็นวิธีการสเตลท์เรดาร์ที่มีประสิทธิภาพและเป็นไปได้มากที่สุดในปัจจุบัน สำหรับวัสดุสเตลท์ที่ใช้ในสภาพแวดล้อมพิเศษ นอกจากจะช่วยลดเงื่อนไขพื้นฐาน เช่น ความสามารถในการตรวจจับได้แล้ว วัสดุยังต้องมีเสถียรภาพทางความร้อนและความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีอีกด้วย ตัวอย่างเช่น หัวฉีดหางเครื่องยนต์ ขอบปีก และชิ้นส่วนอื่นๆ ของเครื่องบินสเตลท์ความเร็วสูง จะต้องผ่านการทดสอบการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงและการกระแทกที่อุณหภูมิสูงและต่ำซ้ำๆ กัน SiCf/SiC ไม่เพียงแต่มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม ทนทานต่อการเกิดออกซิเดชัน และอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นในอุณหภูมิสูงเท่านั้น แต่ยังมีคุณสมบัติดูดซับคลื่นได้ดี ซึ่งตรงตามข้อกำหนดของชิ้นส่วนอาวุธและอุปกรณ์ที่อุณหภูมิสูง เช่น พื้นผิวของเครื่องบินความเร็วเหนือเสียง หัวฉีดหางเครื่องยนต์ และหัวขีปนาวุธร่อน ความต้องการด้านการซ่อนตัว แนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวาง

เนื่องจากประเด็นด้านความปลอดภัยของเครื่องปฏิกรณ์มีการให้ความสำคัญเพิ่มมากขึ้น ธาตุที่ใช้เผาไหม้จากโลหะผสมเซอร์โคเนียมเกือบทั้งหมดที่ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์น้ำเชิงพาณิชย์ในปัจจุบันจึงได้รับการพิจารณาใหม่ และธาตุเชื้อเพลิงชนิดใหม่ที่ใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุหุ้มหรือวัสดุเมทริกซ์ได้กลายเป็นจุดสนใจด้านการวิจัยใหม่ ธาตุเชื้อเพลิงเป็นส่วนประกอบหลักของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ และตัวชี้วัดประสิทธิภาพของธาตุเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อความปลอดภัยและความคุ้มค่าของเครื่องปฏิกรณ์ SiCf มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม เช่น ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง ความแข็งสูง ความต้านทานการสึกหรอที่ดี ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้ดี การนำความร้อนสูง ความต้านทานการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนทางเคมีที่แข็งแกร่ง และมีพื้นที่หน้าตัดการดูดกลืนนิวตรอนขนาดเล็ก ความร้อนโดยธรรมชาติและความร้อนจากการสลายต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ และมีแนวโน้มการใช้งานที่ดีในเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมเหลว และเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วระบายความร้อนด้วยก๊าซ

ตลอด 40 ปีที่ผ่านมา เส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว เส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถแบ่งออกได้เป็นเส้นใยรุ่นที่ 1, 2 และ 3 ตามองค์ประกอบและโครงสร้างของเส้นใย เส้นใยรุ่นที่ 1 เป็นเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีปริมาณออกซิเจนและคาร์บอนสูง ส่วนรุ่นที่ 2 เป็นเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีปริมาณออกซิเจนและคาร์บอนต่ำ ส่วนรุ่นที่ 3 เป็นเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีอัตราส่วนสโตอิชิโอเมตริกใกล้เคียง ในกระบวนการพัฒนาเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ ประเทศต่างๆ เช่น ญี่ปุ่นและสหรัฐอเมริกา มักเป็นฝ่ายริเริ่มการแข่งขันอยู่เสมอ

ในช่วงทศวรรษ 1980 ประเทศของเราตระหนักดีว่าเส้นใยซิลิกอนคาร์ไบด์ ซึ่งเป็นวัสดุใหม่ มีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้ในด้านอวกาศ จึงได้เริ่มต้นตั้งแต่เนิ่นๆ วางแผนล่วงหน้า และจัดกลุ่มนักวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีการป้องกันประเทศแห่งชาติโดยเฉพาะ เพื่อจัดตั้งกลุ่มวิจัยเส้นใย SiC

หลังจากปี 2000 ประเทศของฉันได้เข้าสู่ขั้นตอนการวิจัยการประยุกต์ใช้ของไฟเบอร์ SiC รุ่นแรก และเริ่มการวิจัยที่ยากลำบากและการพัฒนาอุตสาหกรรมของไฟเบอร์ SiC ที่พัฒนาขึ้นเองโดยอิสระ

ในปี พ.ศ. 2548 ด้วยการส่งเสริมจากมณฑลเจียงซูและเทศบาลเมืองซูโจว การพัฒนาอุตสาหกรรมเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์แบบต่อเนื่องที่ทนอุณหภูมิสูงจึงเกิดขึ้น และได้จัดตั้งทีมวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่แข็งแกร่งขึ้น ด้วยความมุ่งมั่นและการวิจัยและพัฒนาอย่างอิสระ อุปกรณ์หลักจึงผลิตขึ้นเอง และกลายเป็นบริษัทในประเทศรายแรกที่ประสบความสำเร็จในการผลิตเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์อย่างต่อเนื่อง ทำลายอุปสรรคทางเทคนิคและการผูกขาดผลิตภัณฑ์ที่มีมายาวนานของญี่ปุ่น สหรัฐอเมริกา และประเทศอื่นๆ ในเรื่องวัสดุที่ไวต่อการใช้งานทางทหารประเภทนี้

ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา การพัฒนาเครื่องยนต์การบินและอวกาศทำให้เกิดความต้องการเส้นใย SiC ต่อเนื่องที่ทนต่ออุณหภูมิสูงอย่างชัดเจน ซึ่งส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีวิศวกรรมสำหรับเส้นใย SiC รุ่นที่สองและสามโดยตรง

เพื่อแก้ไขข้อบกพร่องของปริมาณออกซิเจนสูงของเส้นใย SiC รุ่นแรก ซึ่งป้องกันไม่ให้อุณหภูมิในอากาศใช้งานในระยะยาวสูงเกิน 1,050°C มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีการป้องกันประเทศแห่งชาติ (National University of Defense Technology) จึงได้ริเริ่มการวิจัยเทคโนโลยีสำคัญเกี่ยวกับเส้นใย SiC รุ่นที่สอง ขณะเดียวกันก็รักษาปฏิกิริยาของโพลีคาร์โบซิเลน โดยการปรับปรุงองค์ประกอบและโครงสร้างของโพลีคาร์โบซิเลนให้เหมาะสมที่สุด เราจึงได้พัฒนาความก้าวหน้าในการสังเคราะห์โพลีคาร์โบซิเลนที่มีจุดอ่อนตัวสูง ที่มีความสามารถในการปั่นด้ายที่ดี และเทคโนโลยีการบำบัดแบบไม่หลอมละลายที่ปราศจากออกซิเจน และปรับปรุงกระบวนการเผาก่อนและหลังการเผาให้เหมาะสมที่สุด เชี่ยวชาญเทคโนโลยีการเตรียมเส้นใย SiC ต่อเนื่องรุ่นที่สอง โดยได้รับสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญาอิสระ

ในช่วงระยะเวลา "แผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติฉบับที่ 12" ได้มีการจัดหาเส้นใยและผ้า SiC ต่อเนื่องรุ่นที่สองรวมกว่า 600 กิโลกรัมให้แก่ AVIC, กลุ่มวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีการบินและอวกาศ และหน่วยงานผู้ใช้รายอื่นๆ ซึ่งในเบื้องต้นได้ตอบสนองความต้องการอย่างเร่งด่วนสำหรับเส้นใย SiC ต่อเนื่องรุ่นที่สองสำหรับเครื่องยนต์การบินและอวกาศขั้นสูงและอื่นๆ

จนถึงขณะนี้ ไฟเบอร์ SiC ต่อเนื่องได้มีการพัฒนาอย่างมากในด้านประเภทผลิตภัณฑ์ ประสิทธิภาพ และผลลัพธ์ และในขั้นต้นได้ฝ่าด่านมาตรการปิดกั้นจากต่างประเทศชุดหนึ่งที่ประกาศห้ามเทคโนโลยีการเตรียมอุปกรณ์กระบวนการ และผลิตภัณฑ์ของไฟเบอร์ SiC ต่อเนื่อง

เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพอุณหภูมิสูงของเส้นใย SiC ในประเทศให้ดียิ่งขึ้น มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีการป้องกันประเทศแห่งชาติ (National University of Defense Technology) จึงได้เปิดตัวการพัฒนาเส้นใย SiC รุ่นที่สาม เส้นใย SiC รุ่นที่สามที่พัฒนาโดยมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีการป้องกันประเทศแห่งชาติ ประกอบด้วย KD-S และ KD-SA เป็นหลัก โดย KD-S ถูกใช้เป็นหลักในด้านพลังงานนิวเคลียร์ขั้นสูง และ KD-SA ถูกใช้เป็นหลักในวัสดุโครงสร้างอุณหภูมิสูง เส้นใย KD-S ใช้วิธีการไฮโดรแคลไซน์เพื่อกำจัดคาร์บอน มีองค์ประกอบใกล้เคียงกับสโตอิชิโอเมตริก และมีความต้านทานแรงดึงมากกว่า 2.5 GPa เส้นใย KD-SA ใช้กระบวนการเตรียมคล้ายกับเส้นใย Tyranno SA สารตั้งต้นคือ polyaluminocarbosilane ซึ่งเตรียมจาก polycarbosilane น้ำหนักโมเลกุลต่ำและอะลูมิเนียมอะซิทิลอะซิโทเนตหรืออะลูมิเนียมคลอไรด์ เส้นใย KD-SA มีความก้าวหน้าอย่างมากและมีความแข็งแรงมาก โมดูลัสแรงดึงที่มากกว่า 2.2 GPa สูงถึง 380 GPa นอกจากนี้ เพื่อตอบสนองความต้องการวัสดุโครงสร้างล่องหนที่ทนอุณหภูมิสูง มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีการป้องกันประเทศแห่งชาติยังได้ดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับเส้นใยดูดซับอีกด้วย

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา หลายหน่วยงานได้เริ่มดำเนินการวิจัยและผลิตเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ นอกจากนี้ ยังได้สร้างแพลตฟอร์มอุปกรณ์วิจัยนำร่องสำหรับเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์แบบต่อเนื่อง และพัฒนาเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์รุ่นที่สองโดยใช้เทคโนโลยีการเชื่อมขวางด้วยการฉายรังสีอิเล็กตรอน วิธีการรีดักชัน H2 ถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาการเตรียมเส้นใยที่มีอัตราส่วนใกล้เคียงสโตอิชิโอเมตริก โดยใช้วิธีการเตรียมที่คล้ายกับเส้นใยไฮ-นิคาลอน เอส ของญี่ปุ่น ได้มีการผลิตตัวอย่างเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์แบบต่อเนื่องแล้ว ในขณะเดียวกัน ก็ได้ใช้วิธีการคล้ายกับไทแรนโน เอสเอ ในการเตรียมเส้นใยซิลิคอน-อัล-ซี การสำรวจเบื้องต้น

ด้วยผลประโยชน์ทางสังคมและเศรษฐกิจของเส้นใย SiC แบบต่อเนื่อง บริษัทต่างๆ จึงเริ่มเข้าร่วมพัฒนาเส้นใย SiC แบบต่อเนื่อง และพัฒนาผลิตภัณฑ์เส้นใย SiC แบบต่อเนื่อง ปัจจุบัน การผลิตเส้นใย SiC แบบต่อเนื่องรุ่นแรกในระดับตันได้สำเร็จแล้ว

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีการป้องกันประเทศ พลังทางทหาร และอาวุธยุทโธปกรณ์ เส้นใยประสิทธิภาพสูงจึงได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วในหลากหลายสาขา เส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ซึ่งเป็นตัวแทนของเส้นใยประสิทธิภาพสูง มีคุณสมบัติทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน และดูดซับคลื่นได้อย่างดีเยี่ยม ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง

แม้ว่าเราจะถูกเทคโนโลยีปิดกั้นมานานหลายทศวรรษ แต่โชคดีที่เราไม่เคยละทิ้งความพยายามในการตามให้ทัน ปัจจุบัน เทคโนโลยีการเตรียมเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ของประเทศเราบางส่วนอยู่ในระดับใกล้เคียงกับระดับนานาชาติ แต่โดยรวมแล้วยังคงมีช่องว่างระหว่างประเทศเรากับต่างประเทศอยู่บ้าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการผลิตเชิงอุตสาหกรรม เส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุสำรองทางยุทธศาสตร์ใหม่ของประเทศ และประเทศกำลังเพิ่มการลงทุนและการใช้งาน เชื่อว่าในอนาคตอันใกล้ ประเทศของเราจะค่อยๆ พัฒนาเทคโนโลยีหลักของเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ให้เชี่ยวชาญ และจะนำไปสู่การผลิตเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์เชิงอุตสาหกรรม