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      先進復合材料高溫熱工裝備發展趨勢

      發布時間:2023-10-26發布人:瀏覽:
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      所謂復合材料是指由兩種或兩種以上的組分材料,運用一定的工藝技術制備組合而成的多相新材料體系,其綜合性能優于各自組分材料。先進復合材料指用高性能增強體如碳纖維、芳綸等高性能耐熱高聚物構成的復合材料,包括金屬基、陶瓷基和碳(石墨)基以及功能復合材料,復合材料的各個組成材料在性能上起協同作用,與傳統材料相比,具有比強度高、質量輕、比模量高、抗疲勞性能好,及減振性能好等諸多優點,廣泛應用于國防工業、航空航天、汽車制造等領域。

      隨著高科技領域的發展,特別是隨著超高速導彈、大型運載火箭、太空艙、超音速戰機、新一代大飛機等先進航天航空裝備技術的發展,并伴隨著人們對節約資源、保護環境意識的提高,對先進復合材料的要求逐步提高,進而對先進復合材料的高溫熱工裝備的要求越來越高。正所謂“一代材料,一代裝備”,先進復合材料的發展歷程表明,一代新材料的出現支撐了一代新裝備的研發,一代新裝備研制牽引一代新材料的應用。

      耐高溫先進復合材料的制備工藝也不斷推陳出新,但是,無論哪種制備工藝,都要用到熱工設備。在碳纖維、碳/碳復合材料及大部分陶瓷基復合材料的制備過程中,均存在一個有機原材料無機化或陶瓷化的過程,而這個過程必須要特種熱工裝備來完成,以避免碳纖維、碳基體、有機原材料等非氧化物組分在高溫下氧化。而對于金屬基復合材料來說,在制備過程中也常常需要進行真空退火、淬火、滲碳等熱處理工藝,這些工藝過程也需要特種熱工裝備來完成。只不過是不同的工藝所用的熱工設備的結構、原理、功能不同而已。像采用Sol-gel工藝制備SiO2f/SiO2復合材料及構件時用于燒成的馬弗爐,結構、原理、功能就相對簡單;而像采用CVI工藝制備Cf/SiC復合材料及構件時用到的CVI爐,結構、原理、功能就相對復雜得多。然而,無論這些熱工設備簡單與否,它們的性能水平往往決定著所制備材料及構件的性能水平,正所謂“一代裝備、一代材料”。

      為了支撐先進航天航空等領域裝備技術的發展,同時,為了有利于節約資源和環保,先進復合材料性能的不斷突破,相應的制備工藝得到了持續的改進,由此也帶動了先進復合材料熱工裝備技術的進步,并朝著大型化、集成化、自動化、智能化和綠色化方向發展。

      大型化

      隨著航空航天工業的不斷發展以及對重量輕、可靠、舒適性等需求的不斷增加,期望能夠將多個部件合并成一個整體,減少構件的數量,使得航空航天構件的尺寸越來越大,熱工裝備的大型化越發必要,如某航天飛行器的某先進復合材料部件外觀尺寸大至3000*3000*4000mm,而相應的熱工裝備的爐殼尺寸更是大至6000*6000*10000mm。

      傳統的熱工裝備制造的構件尺寸有限,且構件依靠拼接,其穩定性較差,也無法更好的批量化生產。熱工裝備大型化可以生產大型構件,為滿足航空航天行業需求提供了可能性。同時熱工裝備大型化后一次生產可制造更多構件,可提高生產效率,降低成本。

      而在熱工裝備大型化研發過程中,通過模擬仿真優化裝備溫度場及流場又是重要發展趨勢,也是調整優化裝備相關部件的熱膨脹系數,解決熱膨脹絕對量的增加以及高溫下加熱原件膨脹失效問題的重要的技術手段。

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      集成化

      熱工裝備發展的另一個趨勢是集成化,即相關材料不同工序的熱工裝備集成到一臺/套設備上。集成化可減少各工序的升溫、冷卻過程,降低能耗、提高生產效率,甚至實現由間歇式生產轉變成連續式生產,并提高產品性能。例如,碳纖維制備一般依次包括預氧化、低溫碳化、高溫碳化、石墨化等熱處理工序。傳統工藝,這幾個工序的熱工裝備是彼此獨立,因此整個工藝過程是間歇式的,顯然,每個工序都存在升溫與冷卻過程,而且還存在工序之間的轉運過程。如果將這幾個工序的熱工裝備有機的結合起來,集成為一臺/套熱工裝備,形成連續式生產裝備,不僅提高生產效率,顯然也大大節省了原來各工序熱工設備因升溫、降溫消耗及浪費的熱能。不僅如此,集成化連續式生產,還有效地消除了傳統工藝工序間轉運過程空氣對纖維質量的不利影響,提高纖維的質量。

      另外,在熱工裝備集成化個過程中,同時應當兼顧模塊化。要根據產品功能進行模塊劃分,每個模塊單獨設計,并提高模塊的通用性,但又要保證模塊之間的連接簡單、高效。由此降低產品設計周期,提高產品開發效率,同時提高設備使用過程中的檢修、維護效率,降低用戶的檢修、維護成本。

      熱工裝備集成化發展的難點在于各個工序之間不互相影響。如上一道工序未反應的原料或者未完全反應的產物不能影響下一道工序的工藝,又或者該工序的產物也不能回流到上一道工序。同時,各道工序之間若為不同的氣氛保護,不同氣氛之間也不能產生混合以及其他影響。

      自動化

      熱工裝備采用自動化控制系統,在生產過程中,溫度、氣氛、壓力等參數都由設備自動控制,減少了人工的操作以及人為帶來的偏差或誤操作,提高了生產過程的精確性。此外,相比于傳統熱工裝備人工輸送物料,采用自動稱量物料、進料、出料以及各道工序之間物料的自動化輸送,減少人為因素對產品質量的影響,提高質量的穩定性。同時,人工操作減少,有利于減少生產安全隱患。

      另外,隨著新材料產業的發展,各種新工藝的應用,對于操作人員的要求越來越高。設備自動化程度提高,設備操作簡單化,可以降低生產過程中對人員的技術要求、管理要求以及培訓周期,降低人工成本。

      智能化

      在自動化的基礎上,需要進一步朝著智能化方向發展。熱工裝備的智能化技術應當包括:自我感知(先進傳感技術、物聯網)、智能分析與決策(云計算、智能控制)、自學習和自適應(大數據預測、診斷和優化)。

      對于智能化熱工裝備,首先要具有自我感知功能,也就是通過先進的傳感技術,實時在線準確檢測裝備本身和先進復合材料制備工藝過程中各種有關參數,甚至還包括所制備的材料和構件的相關性能,并將檢查感知到的數據傳輸至裝備的數據智能處理器或裝備生產廠商的數據處理中心。然后數據智能處理器或裝備生產廠商的數據處理中心對這些數據通過云計算,進行分析,并根據相關分析結果,自動給裝備相關機構下達調節指令,相關機構根據指令實現參數調節。最后,智能裝備要具有自我學習和自適應能力,即智能熱工裝備能根據所要處理的材料或構件的初始和最終性能參數等,能基于大數據預測、診斷和優化,自動給出合理的設備和工藝參數,進行材料和構件的熱處理。

      另外,熱工裝備的智能化,應當還要包含裝備的信息化。即要將設備信息的數字化,甚至可視化,并將設備連接網絡,建立物聯網,采集到的數據存放到設備數據中心,以提高智能熱工裝備的智能分析與決策及自學習和自適應能力和水平。

      綠色化

      熱工裝備的全面發展不僅要關注裝備性能和有助于材料及其構件性能和生產效益的提高,在當前國家大力倡導工業制造綠色化的發展趨勢下,還要最大限度的踐行“高效、低能耗、低排放、零排放”綠色化產品制造理念,努力優化和完善裝備設計與制造工藝,在滿足材料及構件制備工藝要求的同時,要盡量提高能源利用效率、減少材料制備過程產生的廢尾氣等對人體和環境的傷害和污染。

      例如,湖南頂立科技股份有限公司在設計制造熱工裝備過程中,通過采用計算機輔助設計與模擬等手段對爐體構造、加熱元件形狀及分布等進行優化設計,提高了設備節能性及均溫性;同時通過傳熱學計算設計,采用新型隔熱爐襯結構,減少爐襯的散熱和蓄熱量,提高爐溫均勻性,且使裝備爐殼外壁表面溫度降低了20℃。另外,通過采用紅外輻射涂料涂層等新型節能材料,并同時采用輕質磚、耐火纖維、復合爐襯,降低爐殼外壁熱輻射,減少熱損失,縮短升溫時間。爐襯材料采用輕質耐火保溫陶瓷纖維板,與傳統全磚結構爐襯相比,散熱損失和蓄熱損失大為減少。纖維制品質量輕、比熱容小,可使保溫層厚度減少 1/3左右,故總重量減輕30%左右。此外,該裝備爐襯采用全纖維整體結構,物料在熱處理過程中不會出現爐溫波動現象,比傳統爐型結構節能30%左右,優化了尾氣處理技術,提高了熱效率,減少了廢氣排放。最后根據工序中產生的尾氣成分,設計了相應的尾氣處理裝置,依次對其中含有的有害物質進行處理,實現了尾氣的無害排放。

      “工欲善其事,必先利其器”,裝備制造技術的發展已經成為我國新材料產業提升與轉型的關鍵因素。加快先進復合材料相關熱工裝備制造技術的發展,對推動復合材料產業技術進步,實現“中國制造”向“中國創造”的轉變具有重大的意義。

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