تتمتع ألياف كربيد السيليكون بمزايا مقاومة الأكسدة في درجات الحرارة العالية، والصلابة العالية، والقوة العالية، والاستقرار الحراري العالي، ومقاومة التآكل والكثافة المنخفضة.
تتميز ألياف كربيد السيليكون بمقاومة عالية للأكسدة في درجات الحرارة العالية، وصلابة عالية، وقوة عالية، وثبات حراري عالي، ومقاومة للتآكل، وكثافة منخفضة. وهي من أفضل المواد المقاومة لدرجات الحرارة العالية والمعززة والخفيّة في مجال الطيران والفضاء. كما تتميز بمقطع عرضي صغير لامتصاص النيوترونات، مما يتيح تطبيقات واسعة في مجالات الطيران والفضاء والطاقة النووية وغيرها.
- 1. المستوى التقني العالي للمواد الهيكلية عالية الحرارة لمحركات الطائرات
إن تحقيق نسبة دفع إلى وزن عالية هو الهدف الذي تسعى إليه محركات الفضاء المتقدمة باستمرار. ومع زيادة نسبة الدفع إلى الوزن للمحرك، تستمر درجة حرارة مدخل التوربين في الارتفاع، ويصعب على نظام مواد السبائك عالية الحرارة الحالي تلبية متطلبات محركات الفضاء المتقدمة. على سبيل المثال، وصلت درجة حرارة مدخل التوربين للمحركات الحالية ذات نسبة الدفع إلى الوزن 10 إلى 1500 درجة مئوية، وسيتجاوز متوسط درجة حرارة مدخل التوربين للمحركات ذات نسبة الدفع إلى الوزن من 12 إلى 15 درجة مئوية 1800 درجة مئوية، وهو ما يتجاوز بكثير درجة حرارة استخدام السبائك عالية الحرارة والمركبات المعدنية. في الوقت الحالي، لا يمكن أن تصل درجة حرارة تشغيل مواد السبائك عالية الحرارة القائمة على النيكل ذات أفضل مقاومة للحرارة إلا إلى حوالي 1100 درجة مئوية. يمكن زيادة درجة حرارة تشغيل SiCf/SiC إلى 1650 درجة مئوية، وتعتبر مادة المكونات الهيكلية الساخنة المثالية لمحركات الطيران.
في دول الطيران المتقدمة، مثل أوروبا والولايات المتحدة، يُستخدم كربيد السيليكون/كربيد السيليكون عمليًا ويُنتج بكميات كبيرة في الأجزاء الثابتة لمحركات الطائرات، بما في ذلك محركات M53-2، وM88، وM88-2، وF100، وF119، وEJ200، وF414، وF110، وF136، وغيرها. محركات الطائرات العسكرية/المدنية.
على الرغم من أن بلدي قد أدرج أبحاث تكنولوجيا تطبيق مركبات كربيد السيليكون ذات المصفوفة الخزفية (CMC-SiC) كمجال تطوير رئيسي منذ ثمانينيات القرن الماضي، إلا أنه في يناير 2022، نجح محرك فضائي من إنتاج NPU باستخدام مواد مركبة محلية جديدة ذات مصفوفة خزفية، وهو قرص توربيني متكامل، في إتمام أول اختبار طيران له بنجاح. يُعد هذا أيضًا أول اختبار طيران جوي محلي لمنصة تجميع دوار مركبة من مصفوفة خزفية، مما يمثل إنجازًا مهمًا آخر في التكنولوجيا الرئيسية لمحركنا الجوي. ومع ذلك، حتى الآن، لا يزال نطاق تطبيق مركبات CMC-SiC ووقت التقييم التراكمي لها في بلدي محدودًا للغاية، وهناك فجوة كبيرة مع أبحاث التطبيقات الهندسية الأجنبية.
- 2. تتنافس المواد الخفية على الأسلحة عالية التقنية
مع التطور السريع لتقنيات الراديو الحديثة وأنظمة كشف الرادار، أصبحت تقنية التخفي، كوسيلة فعالة لتحسين قدرة أنظمة الأسلحة على البقاء والاختراق، وخاصةً قدرات الضربات العميقة، موضوعًا ساخنًا بين القوى العسكرية المتنافسة على الأسلحة عالية التقنية. يُعد استخدام تقنية المواد الخفية حاليًا أكثر الوسائل فعاليةً وجدوىً للتخفي الراداري. بالنسبة للمواد الخفية المستخدمة في بيئات خاصة، بالإضافة إلى تقليل الشروط الأساسية مثل قابلية الكشف، يُشترط أن تتمتع هذه المواد أيضًا بثبات حراري جيد ومقاومة للتآكل. على سبيل المثال، ستواجه فوهات ذيل المحرك وحواف الأجنحة وأجزاء أخرى من مقاتلات التخفي عالية السرعة اختبار الأكسدة في درجات الحرارة العالية والصدمات المتكررة لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة. لا يتميز SiCf/SiC بخصائص ميكانيكية ممتازة ومقاومة للأكسدة وعمر خدمة أطول في درجات الحرارة العالية فحسب، بل يتميز أيضًا بخصائص امتصاص موجات جيدة، مما يلبي متطلبات الأجزاء عالية الحرارة من الأسلحة والمعدات، مثل سطح الطائرات الأسرع من الصوت، وفوهات ذيل المحرك، وأنوف صواريخ كروز. متطلبات التخفي، وآفاق تطبيق واسعة.
- 3. مقطع امتصاص النيوترون الصغير، مما يدل على قوة كبيرة في مجال المفاعلات النووية
مع تزايد التركيز على قضايا سلامة المفاعلات، أُعيد النظر في جميع عناصر احتراق سبائك الزركونيوم تقريبًا المستخدمة في محطات الطاقة النووية التجارية الحالية التي تعمل بمفاعلات الماء، وأصبحت عناصر الوقود الجديدة التي تستخدم كربيد السيليكون ككسوة أو مواد مصفوفة نقطة بحث ساخنة جديدة. تُعد عناصر الوقود المكونات الأساسية للمفاعلات النووية، وتؤثر مؤشرات أدائها بشكل مباشر على سلامة المفاعل واقتصاده. يتميز SiCf بخصائص ممتازة مثل قوة تحمل درجات الحرارة العالية، وصلابة عالية، ومقاومة جيدة للتآكل، ومقاومة جيدة للصدمات الحرارية، وموصلية حرارية عالية، ومقاومة قوية للأكسدة ومقاومة للتآكل الكيميائي، ومقطعه العرضي الصغير لامتصاص النيوترونات، وحرارة النشاط والتحلل المنخفضة المتأصلة تجعله مناسبًا لمجال المفاعلات النووية، وله آفاق تطبيقية جيدة في مفاعلات الماء الخفيف، ومفاعلات الملح المنصهر، والمفاعلات السريعة المبردة بالغاز.
لقد كانت اليابان والولايات المتحدة دائمًا متقنتين للتكنولوجيا المتقدمة
على مدار الأربعين عامًا الماضية، شهدت ألياف كربيد السيليكون (SiC) تطورًا سريعًا. ووفقًا لاختلاف تركيبها وبنيتها، يمكن تقسيمها إلى ألياف من الجيل الأول والثاني والثالث. الجيل الأول هو ألياف كربيد السيليكون عالية المحتوى من الأكسجين والكربون، والجيل الثاني هو ألياف كربيد السيليكون منخفضة الأكسجين وعالية الكربون، والجيل الثالث هو ألياف كربيد السيليكون ذات نسبة متكافئة تقريبًا. في عملية تطوير ألياف كربيد السيليكون، لطالما كانت دول مثل اليابان والولايات المتحدة سباقة في المنافسة.
اختراق الجيل الأول من ألياف SiC
في ثمانينيات القرن العشرين، أدركت بلادنا أن ألياف كربيد السيليكون، باعتبارها مادة جديدة، لها قيمة تطبيقية محتملة في مجال الفضاء الجوي، لذلك بدأت مبكرًا وخططت مسبقًا ونظمت خصيصًا الباحثين العلميين ذوي الصلة من الجامعة الوطنية لتكنولوجيا الدفاع لإنشاء مجموعة بحثية لألياف كربيد السيليكون.
بعد عام 2000، دخلت بلدي مرحلة البحث التطبيقي للجيل الأول من ألياف SiC وبدأت البحث الشاق والتطوير الصناعي لألياف SiC التي تم تطويرها بشكل مستقل.
في عام ٢٠٠٥، وبفضل دعم مقاطعة جيانغسو وحكومة مدينة سوتشو، بدأ التطوير الصناعي لألياف كربيد السيليكون المستمرة المقاومة للحرارة العالية، وتم تشكيل فريق بحث علمي قوي. وبفضل العمل الجاد والبحث والتطوير المستقل، صُنعت المعدات الأساسية الرئيسية ذاتيًا، وأصبحت أول شركة محلية تُحقق إنتاجًا مستمرًا لألياف كربيد السيليكون، كاسرةً بذلك الحصار التقني طويل الأمد واحتكار المنتجات من اليابان والولايات المتحدة ودول أخرى على هذا النوع من المواد الحساسة عسكريًا.
مواكبة الجيل الثاني من ألياف SiC المستمرة
على مدى السنوات العشر الماضية، طرح تطوير محركات الطيران والفضاء مطالب واضحة لألياف SiC المستمرة المقاومة لدرجات الحرارة العالية، مما عزز بشكل مباشر تطوير التكنولوجيا الهندسية لألياف SiC من الجيل الثاني والثالث.
استجابةً لعيوب ألياف كربيد السيليكون (SiC) من الجيل الأول، والتي تُعيق ارتفاع درجة حرارة الهواء عند الاستخدام طويل الأمد عن 1050 درجة مئوية، أطلقت الجامعة الوطنية لتكنولوجيا الدفاع بحثًا تقنيًا رئيسيًا حول ألياف كربيد السيليكون من الجيل الثاني. مع الحفاظ على تفاعلية بولي كاربوسيلان، ومن خلال تحسين تركيبه وبنيته، حققنا تقدمًا ملحوظًا في تركيب بولي كاربوسيلان عالي نقطة التليين، مع قابلية دوران جيدة وتقنية معالجة خالية من الأكسجين وغير قابلة للذوبان، وحسّنا عمليات ما قبل الاحتراق والحرق النهائي. أتقنّا تقنية تحضير ألياف كربيد السيليكون المستمرة من الجيل الثاني، مع حقوق ملكية فكرية مستقلة.
خلال فترة "الخطة الخمسية الثانية عشرة"، تم توفير ما مجموعه أكثر من 600 كيلوغرام من ألياف وأقمشة SiC المستمرة من الجيل الثاني لشركة AVIC ومجموعة علوم وتكنولوجيا الفضاء ووحدات المستخدم الأخرى، والتي استجابت في البداية للطلب العاجل على ألياف SiC المستمرة من الجيل الثاني لمحركات الفضاء المتقدمة وغيرها.
حتى الآن، أحرزت ألياف SiC المستمرة تقدمًا كبيرًا في أنواع المنتجات والأداء والإنتاج، واخترقت في البداية سلسلة من تدابير الحصار الأجنبي التي فرضت حظرًا على تكنولوجيا التحضير ومعدات المعالجة ومنتجات ألياف SiC المستمرة.
يشير السيف إلى ألياف SiC من الجيل الثالث
من أجل تحسين أداء ألياف SiC المحلية في درجات الحرارة العالية بشكل أكبر، أطلقت الجامعة الوطنية لتكنولوجيا الدفاع تطوير ألياف SiC من الجيل الثالث. تشمل ألياف الجيل الثالث التي طورتها الجامعة الوطنية لتكنولوجيا الدفاع بشكل أساسي KD-S وKD-SA. يُستخدم الأول بشكل رئيسي في مجال الطاقة النووية المتقدمة، ويُستخدم الأخير بشكل رئيسي في المواد الإنشائية عالية الحرارة. تستخدم ألياف KD-S طريقة التكليس المائي لإزالة الكربون، ولها تركيبة شبه متكافئة، ولها قوة شد أكبر من 2.5 جيجا باسكال. تتبنى ألياف KD-SA طريقة تحضير مماثلة لألياف Tyranno SA. يتم تحضير البولي ألومينوكاربوسيلان السلائف من بولي كاربوسيلان منخفض الوزن الجزيئي وأسيتيل أسيتونات الألومنيوم أو كلوريد الألومنيوم. أحرزت ألياف KD-SA تقدمًا كبيرًا ولديها قوة عالية. أكبر من 2.2 جيجا باسكال، يصل معامل الشد إلى 380 جيجا باسكال. وبالإضافة إلى ذلك، من أجل تلبية الطلب على المواد الهيكلية الخفية ذات درجات الحرارة العالية، أجرت الجامعة الوطنية لتكنولوجيا الدفاع أيضًا أبحاثًا حول الألياف الماصة.
تتزايد قوى البحث والتطوير والتصنيع تدريجيا
في السنوات الأخيرة، بدأت العديد من الوحدات البحثية في مجال ألياف كربيد السيليكون وإنتاجها. كما قامت ببناء منصة تجريبية لمعدات البحث لألياف كربيد السيليكون المستمرة، وطوّرت ألياف كربيد السيليكون من الجيل الثاني باستخدام تقنية الربط المتقاطع بإشعاع شعاع الإلكترون. استُخدمت طريقة اختزال الهيدروجين لدراسة تحضير ألياف بنسب متقاربة من التكافؤ باستخدام طريقة تحضير مشابهة لألياف Hi-Nicalon S اليابانية. تم إنتاج عينات من ألياف كربيد السيليكون المستمرة. وفي الوقت نفسه، استُخدمت طريقة مشابهة لطريقة Tyranno SA لتحضير ألياف Si-Al-C. الاستكشاف الأولي.
انطلاقًا من الفوائد الاجتماعية والاقتصادية لألياف كربيد السيليكون المستمر، بدأت الشركات أيضًا بالمشاركة في تطوير هذه الألياف وتطوير منتجاتها. وقد تم حاليًا إنتاج الجيل الأول من ألياف كربيد السيليكون المستمر بالطن.
مع التطور المتسارع لتحديث الدفاع الوطني والقوة العسكرية وتكنولوجيا الأسلحة، شهدت الألياف عالية الأداء تطورًا سريعًا في مختلف المجالات. وبصفتها أحد أبرز الألياف عالية الأداء، تتميز ألياف كربيد السيليكون بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية والتآكل وامتصاص الموجات، وقد حظيت باهتمام واسع النطاق.
على الرغم من تأخرنا التكنولوجي لعقود، إلا أننا لحسن الحظ لم نستسلم أبدًا للحاق بالركب. حاليًا، تقترب بعض مستويات تكنولوجيا تحضير ألياف كربيد السيليكون في بلدي من المستوى المتقدم الدولي، ولكن بشكل عام، لا تزال هناك فجوة معينة بين بلدي والدول الأجنبية، وخاصة في تحقيق الإنتاج الصناعي. تُعد ألياف كربيد السيليكون مادة احتياطية استراتيجية وطنية جديدة، وتشهد البلاد زيادة في نشرها واستثماراتها. ومن المأمول أن يتقن بلدي تدريجيًا في المستقبل القريب التكنولوجيا الأساسية لألياف كربيد السيليكون، ويحقق إنتاجها الصناعي.
