Prospettive di mercato dei compositi a matrice ceramica

Prospettive di mercato dei compositi a matrice ceramica

Secondo un rapporto di Research And Markets, un istituto internazionale di ricerche di mercato, il mercato globale dei compositi a matrice ceramica dovrebbe crescere da USD 11.35 miliardi in 2021 a USD 12.26 miliardi in 2022, ad un CAGR di 8.05%. Il mercato dovrebbe crescere fino a USD 17.15 miliardi in 2026 ad un CAGR di 8.75%.

I materiali ceramici hanno proprietà eccellenti come l'alto punto di fusione, elevata durezza, resistenza alla corrosione, e resistenza all'ossidazione, e può essere utilizzato in condizioni ambientali estreme, quindi sono stati rapidamente sviluppati nel campo dell'ingegneria, soprattutto nell'aviazione, aerospaziale, automobilistico, Settore militare e altri campi. Tuttavia, la fragilità, mechanical unreliability and low electrical conductivity of ceramica limit their wide application. L'introduzione del materiale di seconda fase nella matrice ceramica è un modo efficace per migliorare la struttura e le proprietà dei materiali ceramici.

Di conseguenza,, ceramico matrix composites came into being.

Compositi a matrice ceramica (CMC) sono composti da una matrice ceramica, fibre di rinforzo e uno strato di interfaccia. Le fibre vengono introdotte nella matrice ceramica come materiali di rinforzo per formare un materiale composito con fibre come fase di rinforzo e matrice ceramica come fase continua.

Ha le caratteristiche di resistenza alle alte temperature, resistenza all'usura, resistenza allo scorrimento ad alta temperatura, bassa conducibilità termica, basso coefficiente di dilatazione termica, Resistenza alla corrosione chimica, ad alta resistenza, elevata durezza, trasmissione dielettrica e ondulatoria.

Perché può essere ampiamente utilizzato in condizioni di lavoro in cui il materiale a base di materiale organico e a base di metallo non può soddisfare i requisiti di prestazione, È diventato un materiale strutturale ideale per le alte temperature, Ed è stato prestato sempre più attenzione dalla gente.

Soprattutto, come un peso leggero, materiale composito strutturale ad alte prestazioni, È ampiamente utilizzato in campi ad alta temperatura, ed è diventato il materiale preferito per i motori aeronautici, in particolare i componenti principali dei motori aeronautici. Alla luce di ciò,, Molti paesi stanno conducendo attivamente ricerche sui compositi a matrice ceramica.

Composites are still emerging; the established volume work remains alumina, covered in taglio di precisione dell'allumina.

Compositi a matrice ceramica C/SiC

La fibra di carbonio non ha solo le caratteristiche di bassa densità, elevata resistenza specifica, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione, conducibilità elettrica, conducibilità termica, e basso coefficiente di attrito, ma ha anche eccellenti proprietà meccaniche alle alte temperature.

In un'atmosfera inerte e in un ambiente sovrastante 2000 °C, le proprietà meccaniche non diminuiscono ancora. Tuttavia, La sua resistenza all'ossidazione ad alta temperatura è scarsa, quindi di solito è composto da metalli, ceramica, resine, and so on. per la preparazione di materiali compositi avanzati utilizzati in settori tecnologici all'avanguardia come l'industria aerospaziale e militare.

Nel campo dei compositi a matrice ceramica termostrutturale, Il carburo di silicio è diventato uno dei principali candidati per i materiali a matrice grazie alle sue eccellenti proprietà meccaniche alle alte temperature (forza, resistenza all'ossidazione, resistenza allo scorrimento, and so on.), basso coefficiente di dilatazione termica e attrito, eccellente conducibilità termica ed elettrica.

Tuttavia, lo svantaggio della ceramica SiC è che è fragile.

I compositi a matrice ceramica C/SiC rafforzano la ceramica SiC aggiungendo fibre di carbonio, che può far assorbire al materiale l'energia di frattura mediante la deflessione della cricca, Estrazione e frattura della fibra di carbonio e altri meccanismi durante il processo di frattura.

Non solo migliora la resistenza e la tenacità del materiale, ma mantiene anche le eccellenti prestazioni alle alte temperature della matrice SiC, che è un modo eccellente per preparare materiali strutturali avanzati ad alte prestazioni.

È diventato il principale materiale candidato per i motori aeronautici ad alte prestazioni, e sarà gradualmente applicato a dispositivi come i componenti hot-end delle turbine a gas, Freni ad alta velocità, energia nucleare, e scambiatori di calore.

Compositi SiCf/SiC

Il materiale composito a matrice ceramica SiCf/SiC si riferisce all'introduzione di fibre SiC nella matrice ceramica SiC come materiale di rinforzo per formare un materiale composito con le fibre di rinforzo SiC introdotte come fase dispersa e la matrice ceramica SiC come fase continua.

I compositi a matrice ceramica SiCf/SiC mantengono i vantaggi della resistenza alle alte temperature, ad alta resistenza, resistenza all'ossidazione, resistenza alla corrosione e resistenza agli urti della ceramica SiC. Allo stesso tempo, ha l'effetto di rinforzo e indurimento della fibra SiC, che supera i difetti intrinseci della bassa tenacità alla frattura e della scarsa resistenza al carico d'urto esterno della ceramica SiC.

Come materiale strutturale termico ad alta temperatura con eccellenti proprietà complete, Il composito SiCf/SiC ha ampie prospettive di applicazione nel settore dell'aviazione, aerospaziale, energia nucleare, Automobilistico e altri settori, ed è diventato un hotspot di ricerca in vari paesi occidentali.

Compositi a matrice ceramica ossido/ossido

I materiali compositi Ox/Ox si riferiscono a una classe di materiali compositi con ossidoceramici come matrice e fibre di ossido (generalmente 10-12 μm di diametro). La resistenza alla temperatura di questo materiale è leggermente inferiore a quella del SiCf/SiC (circa 1150°C), ma perché non c'è problema di ossidazione,

La sua durata può raggiungere decine di migliaia di ore, combinato con bassa densità (circa 2,5 g/cm3) e prezzo ragionevole, È il materiale preferito per il turboalbero, struttura ad alta temperatura del motore del nucleo della turbina a gas e turbogetto, Struttura dell'ugello di coda del motore turbofan.

In termini di matrice, L'attuale obiettivo della ricerca in patria e all'estero è ancora la matrice di quarzo, matrice di mullite e matrice di allumina. In termini di fibra, Si divide principalmente in tre categorie: in fibra di quarzo, fibra di alluminosilicato e fibra di allumina.

Compositi a matrice di grafene/ceramica

Il grafene ha un'eccellente meccanica, Proprietà elettriche e termiche, rendendolo uno dei materiali più attraenti. Allo stesso tempo, Il grafene ha un'ampia superficie specifica ed è più facile da disperdere nella matrice ceramica, che può migliorare le proprietà di interfaccia dei compositi a matrice ceramica e migliorare la combinazione con la matrice ceramica.

È benefico per il trasferimento di elettroni, Fononi e sollecitazioni meccaniche, ed è un riempitivo ideale per la preparazione di compositi ceramici con prestazioni eccellenti. Numerosi studi hanno dimostrato che i compositi grafene/ceramica hanno eccellenti proprietà meccaniche, conducibilità elettrica, conducibilità termica, resistenza all'attrito e all'usura, and so on.

sommario

Oltre all'applicazione di un gran numero di compositi a matrice ceramica nei settori aerospaziale e della difesa, L'elevata domanda di veicoli leggeri in tutto il mondo in futuro promuoverà anche la rapida crescita del mercato dei compositi a matrice ceramica.

Al fine di aumentare l'autonomia di crociera dei veicoli elettrici, oltre ad aumentare le prestazioni della batteria, Un altro metodo è quello di ridurre il peso dell'auto. Ciò spingerà le case automobilistiche a rivolgere la loro attenzione ai compositi leggeri per sostituire l'acciaio e il ferro più pesanti nei veicoli, con compositi a matrice ceramica senza dubbio uno dei candidati più importanti.

Secondo i dati di McKinsey, Si prevede che l'uso di materiali leggeri nell'industria automobilistica aumenterà a partire dal 30% A 70% presso 2030, che promuoverà notevolmente lo sviluppo del mercato dei compositi a matrice ceramica.

Domande Frequenti

What is a ceramic matrix composite (CMC)?

A ceramic matrix composite is composed of a ceramic matrix, fibre di rinforzo e uno strato di interfaccia. Fibers are introduced into the ceramic matrix as a reinforcing phase, forming a composite with high temperature resistance, resistenza all'usura, resistenza allo scorrimento, bassa conducibilità termica, 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 miliardi in 2021 to an expected USD 12.26 miliardi in 2022 ad un CAGR di 8.05%, and it is expected to reach USD 17.15 miliardi in 2026 ad un CAGR di 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, ossidazione, 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% A 70% presso 2030, greatly promoting the CMC market.

Revisionato dal team di ingegneria Ensoll.