Marktaussichten für Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix

Marktaussichten für Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix

Laut einem Bericht von Research And Markets, ein internationales Marktforschungsinstitut, Es wird erwartet, dass der globale Markt für Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix von USD aus wachsen wird 11.35 Milliarden in 2021 zu USD 12.26 Milliarden in 2022, mit einer CAGR von 8.05%. Es wird erwartet, dass der Markt auf USD wachsen wird 17.15 Milliarden in 2026 mit einer CAGR von 8.75%.

Keramische Werkstoffe haben hervorragende Eigenschaften wie einen hohen Schmelzpunkt, hohe Härte, Korrosionsbeständigkeit, und Oxidationsbeständigkeit, und kann unter extremen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden, So wurden sie im Bereich des Ingenieurwesens schnell entwickelt, insbesondere in der Luftfahrt, Luft- und Raumfahrt, selbstfahrend, Militär und andere Bereiche. Aber, Die Sprödigkeit, mechanical unreliability and low electrical conductivity of Keramik limit their wide application. Das Einbringen des Materials der zweiten Phase in die keramische Matrix ist ein wirksames Mittel, um die Struktur und die Eigenschaften von keramischen Materialien zu verbessern.

Als Ergebnis, Keramik matrix composites came into being.

Komposite mit keramischer Matrix (CMC) bestehen aus einer keramischen Matrix, Verstärkungsfasern und eine Grenzschicht. Fasern werden als Verstärkungsmaterialien in die keramische Matrix eingebracht, um einen Verbundwerkstoff mit Fasern als Verstärkungsphase und keramischer Matrix als kontinuierlicher Phase zu bilden.

Es hat die Eigenschaften einer hohen Temperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, hohe Temperaturkriechbeständigkeit, geringe Wärmeleitfähigkeit, niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, chemische Korrosionsbeständigkeit, hohe Festigkeit, hohe Härte, Dielektrische und Wellenübertragung.

Weil es unter Arbeitsbedingungen weit verbreitet sein kann, wo organisches Material und metallisches Material die Leistungsanforderungen nicht erfüllen kann, Es hat sich zu einem idealen Hochtemperatur-Strukturmaterial entwickelt, Und es wird von den Menschen immer mehr beachtet.

Besonders, als Leichtgewicht, Hochleistungs-Strukturverbundwerkstoff, Es ist weit verbreitet in Hochtemperaturbereichen, und hat sich zum bevorzugten Werkstoff für Flugzeugtriebwerke entwickelt, insbesondere Kernkomponenten von Flugzeugtriebwerken. Vor diesem Hintergrund, Viele Länder forschen aktiv an Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix.

Composites are still emerging; the established volume work remains alumina, covered in precision cutting of alumina.

C/SiC-Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix

Kohlefaser hat nicht nur die Eigenschaften einer geringen Dichte, hohe spezifische Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, und niedriger Reibungskoeffizient, hat aber auch hervorragende mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen.

In einer inerten Atmosphäre und einer Umgebung über 2000 °C, Die mechanischen Eigenschaften nehmen trotzdem nicht ab. Aber, Seine Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen ist schlecht, Daher wird es in der Regel mit Metallen verbunden, Keramik, Kleber, etc. zur Herstellung fortschrittlicher Verbundwerkstoffe, die in hochmodernen Technologiebereichen wie der Luft- und Raumfahrt und der Militärindustrie verwendet werden.

Im Bereich der thermischen Strukturkeramik-Matrix-Verbundwerkstoffe, Siliziumkarbid hat sich aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen zu einem der Hauptkandidaten für Matrixmaterialien entwickelt (Kraft, Oxidationsbeständigkeit, Kriechfestigkeit, etc.), niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient und Reibung, hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit.

Aber, Der Nachteil von SiC-Keramiken ist, dass sie spröde sind.

C/SiC-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe verstärken SiC-Keramiken durch Zugabe von Kohlenstofffasern, die das Material dazu bringen kann, Bruchenergie durch Rissdurchbiegung aufzunehmen, Herausziehen und Brechen von Kohlefaser und andere Mechanismen während des Bruchprozesses.

Es erhöht nicht nur die Festigkeit und Zähigkeit des Materials, behält aber auch die hervorragende Hochtemperaturleistung der SiC-Matrix bei, Dies ist eine hervorragende Möglichkeit, hochleistungsfähige fortschrittliche Strukturmaterialien herzustellen.

Es hat sich zum Hauptkandidaten für Hochleistungstriebwerke entwickelt, und wird nach und nach auf Geräte wie Hot-End-Komponenten für Gasturbinen angewendet, Hochgeschwindigkeits-Bremsen, Kernenergie, und Wärmetauscher.

SiCf/SiC-Verbundwerkstoffe

SiCf/SiC-Keramikmatrix-Verbundwerkstoff bezieht sich auf das Einbringen von SiC-Fasern in die SiC-Keramikmatrix als Verstärkungsmaterial, um ein Kompositmaterial zu bilden, wobei die eingebrachten SiC-Verstärkungsfasern als dispergierte Phase und die SiC-Keramikmatrix als kontinuierliche Phase dienen.

SiCf/SiC-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe behalten die Vorteile einer hohen Temperaturbeständigkeit bei, hohe Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Schlagzähigkeit von SiC-Keramiken. Gleichzeitig, es hat die Wirkung der SiC-Faserverstärkung und -härtung, die die inhärenten Defekte der geringen Bruchzähigkeit und der schlechten Beständigkeit gegen äußere Schlagbelastung von SiC-Keramiken überwindet.

Als thermischer Hochtemperatur-Strukturwerkstoff mit hervorragenden umfassenden Eigenschaften, SiCf/SiC-Verbundwerkstoff hat breite Anwendungsperspektiven in der Luftfahrt, Luft- und Raumfahrt, Kernenergie, Automobil und andere Bereiche, und hat sich zu einem Forschungs-Hotspot in verschiedenen westlichen Ländern entwickelt.

Oxid/Oxid-Keramik-Matrix-Komposite

Ox/Ox-Verbundwerkstoffe beziehen sich auf eine Klasse von Materialien, die mit Oxidkeramik als Matrix und Oxidfasern komposiert sind (allgemein 10-12 μm Durchmesser). Die Temperaturbeständigkeit dieses Materials ist etwas geringer als die von SiCf/SiC (ca. 1150°C), sondern weil es kein Oxidationsproblem gibt,

Seine Lebensdauer kann Zehntausende von Stunden erreichen, kombiniert mit geringer Dichte (ca. 2,5 g / cm3) und angemessener Preis, Es ist das bevorzugte Material für Turbowellen, Gasturbinenkerntriebwerk Hochtemperaturstruktur und Turbojet, Struktur der Heckdüse des Turbofan-Triebwerks.

In Bezug auf die Matrix, Der aktuelle Forschungsschwerpunkt im In- und Ausland ist nach wie vor die Quarzmatrix, Mullit-Matrix und Aluminiumoxid-Matrix. In Bezug auf Ballaststoffe, Es wird hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt: Quarzfaser, Aluminiumsilikatfaser und Aluminiumoxidfaser.

Graphen/Keramik-Matrix-Komposite

Graphen hat eine ausgezeichnete mechanische, Elektrische und thermische Eigenschaften, was es zu einem der attraktivsten Materialien macht. Gleichzeitig, Graphen hat eine große spezifische Oberfläche und lässt sich leichter in der keramischen Matrix dispergieren, , die die Grenzflächeneigenschaften von Kompositen mit keramischer Matrix verbessern und die Kombination mit der keramischen Matrix verbessern können.

Es ist vorteilhaft für die Übertragung von Elektronen, Phononen und mechanische Belastung, und ist ein idealer Füllstoff für die Herstellung von keramischen Kompositen mit hervorragender Leistung. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass Graphen/Keramik-Verbundwerkstoffe hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Reibungs- und Verschleißfestigkeit, etc.

Zusammenfassung

Neben der Anwendung einer großen Anzahl von keramischen Matrix-Verbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich, Die weltweit hohe Nachfrage nach Leichtbaufahrzeugen wird in Zukunft auch das rasante Wachstum des Marktes für keramische Matrix-Verbundwerkstoffe fördern.

Um die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen, Neben der Erhöhung der Akkuleistung, Eine andere Methode besteht darin, das Gewicht des Autos zu reduzieren. Dies wird die Automobilhersteller dazu veranlassen, ihre Aufmerksamkeit auf leichte Verbundwerkstoffe zu richten, um schwereren Stahl und Eisen in Fahrzeugen zu ersetzen, mit keramischen Matrix-Kompositen zweifellos einer der wichtigsten Kandidaten.

Nach Angaben von McKinsey, Es wird erwartet, dass der Einsatz von Leichtbauwerkstoffen in der Automobilindustrie zunehmen wird. 30% An 70% bis 2030, Dies wird die Entwicklung des Marktes für Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix erheblich fördern.

Häufig gestellte Fragen

What is a ceramic matrix composite (CMC)?

A ceramic matrix composite is composed of a ceramic matrix, Verstärkungsfasern und eine Grenzschicht. Fibers are introduced into the ceramic matrix as a reinforcing phase, forming a composite with high temperature resistance, Verschleißfestigkeit, Kriechfestigkeit, geringe Wärmeleitfähigkeit, low thermal expansion and high strength that monolithic ceramics cannot reliably deliver because of their brittleness.

How big is the ceramic matrix composites market?

According to Research And Markets, the global CMC market grew from USD 11.35 Milliarden in 2021 to an expected USD 12.26 Milliarden in 2022 mit einer CAGR von 8.05%, and it is expected to reach USD 17.15 Milliarden in 2026 mit einer CAGR von 8.75%.

What is the difference between C/SiC and SiCf/SiC composites?

C/SiC composites strengthen a silicon carbide matrix with carbon fibers, which absorb fracture energy through crack deflection, fiber pull-out and fracture while keeping the SiC matrix’s high-temperature performance. SiCf/SiC composites instead introduce SiC fibers into the SiC matrix, retaining high temperature, Oxidation, corrosion and impact resistance while overcoming the low fracture toughness of SiC ceramics.

Why are ceramic matrix composites preferred for aero-engines?

CMCs work where organic and metal-based materials cannot meet performance requirements: they are lightweight, high-temperature resistant structural materials with high strength, low thermal expansion and chemical corrosion resistance. C/SiC has become a main candidate material for high-performance aero-engines, and Oxide/Oxide composites are preferred for turboshaft, gas turbine core and turbojet or turbofan tail nozzle structures.

What will drive future demand for ceramic matrix composites?

Beyond aerospace and defense, global demand for lightweight vehicles is the key driver. To increase electric vehicle cruising range, automakers are replacing heavier steel and iron with lightweight composites. McKinsey expects lightweight materials in the automotive industry to increase from 30% An 70% bis 2030, greatly promoting the CMC market.

Überprüft vom Ensoll-Ingenieurteam.