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先進(jìn)復(fù)合材料高溫?zé)峁ぱb備發(fā)展趨勢(shì)

頂立科技 2023-10-25 | 閱讀：1905

所謂復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上的組分材料,，運(yùn)用一定的工藝技術(shù)制備組合而成的多相新材料體系，其綜合性能優(yōu)于各自組分材料,。先進(jìn)復(fù)合材料指用高性能增強(qiáng)體如碳纖維,、芳綸等高性能耐熱高聚物構(gòu)成的復(fù)合材料，包括金屬基,、陶瓷基和碳(石墨)基以及功能復(fù)合材料,，復(fù)合材料的各個(gè)組成材料在性能上起協(xié)同作用，與傳統(tǒng)材料相比,，具有比強(qiáng)度高,、質(zhì)量輕、比模量高,、抗疲勞性能好,，及減振性能好等諸多優(yōu)點(diǎn),，廣泛應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)、航空航天,、汽車(chē)制造等領(lǐng)域,。

隨著高科技領(lǐng)域的發(fā)展，特別是隨著超高速導(dǎo)彈,、大型運(yùn)載火箭,、太空艙、超音速戰(zhàn)機(jī),、新一代大飛機(jī)等先進(jìn)航天航空裝備技術(shù)的發(fā)展,，并伴隨著人們對(duì)節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境意識(shí)的提高,，對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的要求逐步提高,，進(jìn)而對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的高溫?zé)峁ぱb備的要求越來(lái)越高。正所謂“一代材料,，一代裝備”,，先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展歷程表明，一代新材料的出現(xiàn)支撐了一代新裝備的研發(fā),，一代新裝備研制牽引一代新材料的應(yīng)用,。

耐高溫先進(jìn)復(fù)合材料的制備工藝也不斷推陳出新，但是,，無(wú)論哪種制備工藝,，都要用到熱工設(shè)備。在碳纖維,、碳/碳復(fù)合材料及大部分陶瓷基復(fù)合材料的制備過(guò)程中,，均存在一個(gè)有機(jī)原材料無(wú)機(jī)化或陶瓷化的過(guò)程，而這個(gè)過(guò)程必須要特種熱工裝備來(lái)完成,，以避免碳纖維,、碳基體、有機(jī)原材料等非氧化物組分在高溫下氧化,。而對(duì)于金屬基復(fù)合材料來(lái)說(shuō),，在制備過(guò)程中也常常需要進(jìn)行真空退火、淬火,、滲碳等熱處理工藝,，這些工藝過(guò)程也需要特種熱工裝備來(lái)完成。只不過(guò)是不同的工藝所用的熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu),、原理,、功能不同而已。像采用Sol-gel工藝制備SiO2f/SiO2復(fù)合材料及構(gòu)件時(shí)用于燒成的馬弗爐,，結(jié)構(gòu),、原理,、功能就相對(duì)簡(jiǎn)單；而像采用CVI工藝制備Cf/SiC復(fù)合材料及構(gòu)件時(shí)用到的CVI爐,，結(jié)構(gòu),、原理、功能就相對(duì)復(fù)雜得多,。然而,，無(wú)論這些熱工設(shè)備簡(jiǎn)單與否，它們的性能水平往往決定著所制備材料及構(gòu)件的性能水平,，正所謂“一代裝備,、一代材料”。

為了支撐先進(jìn)航天航空等領(lǐng)域裝備技術(shù)的發(fā)展,，同時(shí),，為了有利于節(jié)約資源和環(huán)保，先進(jìn)復(fù)合材料性能的不斷突破,，相應(yīng)的制備工藝得到了持續(xù)的改進(jìn),，由此也帶動(dòng)了先進(jìn)復(fù)合材料熱工裝備技術(shù)的進(jìn)步，并朝著大型化,、集成化,、自動(dòng)化、智能化和綠色化方向發(fā)展,。

大型化

隨著航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展以及對(duì)重量輕,、可靠、舒適性等需求的不斷增加,，期望能夠?qū)⒍鄠€(gè)部件合并成一個(gè)整體,，減少構(gòu)件的數(shù)量，使得航空航天構(gòu)件的尺寸越來(lái)越大,，熱工裝備的大型化越發(fā)必要,，如某航天飛行器的某先進(jìn)復(fù)合材料部件外觀尺寸大至3000*3000*4000mm，而相應(yīng)的熱工裝備的爐殼尺寸更是大至6000*6000*10000mm,。

傳統(tǒng)的熱工裝備制造的構(gòu)件尺寸有限,，且構(gòu)件依靠拼接,，其穩(wěn)定性較差,，也無(wú)法更好的批量化生產(chǎn)。熱工裝備大型化可以生產(chǎn)大型構(gòu)件,，為滿足航空航天行業(yè)需求提供了可能性,。同時(shí)熱工裝備大型化后一次生產(chǎn)可制造更多構(gòu)件，可提高生產(chǎn)效率,，降低成本,。

而在熱工裝備大型化研發(fā)過(guò)程中,，通過(guò)模擬仿真優(yōu)化裝備溫度場(chǎng)及流場(chǎng)又是重要發(fā)展趨勢(shì)，也是調(diào)整優(yōu)化裝備相關(guān)部件的熱膨脹系數(shù),，解決熱膨脹絕對(duì)量的增加以及高溫下加熱原件膨脹失效問(wèn)題的重要的技術(shù)手段,。

集成化

熱工裝備發(fā)展的另一個(gè)趨勢(shì)是集成化，即相關(guān)材料不同工序的熱工裝備集成到一臺(tái)/套設(shè)備上,。集成化可減少各工序的升溫,、冷卻過(guò)程，降低能耗,、提高生產(chǎn)效率,，甚至實(shí)現(xiàn)由間歇式生產(chǎn)轉(zhuǎn)變成連續(xù)式生產(chǎn)，并提高產(chǎn)品性能,。例如,，碳纖維制備一般依次包括預(yù)氧化、低溫碳化,、高溫碳化,、石墨化等熱處理工序。傳統(tǒng)工藝,，這幾個(gè)工序的熱工裝備是彼此獨(dú)立,，因此整個(gè)工藝過(guò)程是間歇式的，顯然,，每個(gè)工序都存在升溫與冷卻過(guò)程,，而且還存在工序之間的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。如果將這幾個(gè)工序的熱工裝備有機(jī)的結(jié)合起來(lái),，集成為一臺(tái)/套熱工裝備,，形成連續(xù)式生產(chǎn)裝備，不僅提高生產(chǎn)效率,，顯然也大大節(jié)省了原來(lái)各工序熱工設(shè)備因升溫,、降溫消耗及浪費(fèi)的熱能。不僅如此,，集成化連續(xù)式生產(chǎn),，還有效地消除了傳統(tǒng)工藝工序間轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程空氣對(duì)纖維質(zhì)量的不利影響，提高纖維的質(zhì)量,。

另外,，在熱工裝備集成化個(gè)過(guò)程中，同時(shí)應(yīng)當(dāng)兼顧模塊化,。要根據(jù)產(chǎn)品功能進(jìn)行模塊劃分,，每個(gè)模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)，并提高模塊的通用性,，但又要保證模塊之間的連接簡(jiǎn)單,、高效,。由此降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率,，同時(shí)提高設(shè)備使用過(guò)程中的檢修,、維護(hù)效率，降低用戶的檢修,、維護(hù)成本,。

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

自動(dòng)化

熱工裝備采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)過(guò)程中,，溫度,、氣氛、壓力等參數(shù)都由設(shè)備自動(dòng)控制,，減少了人工的操作以及人為帶來(lái)的偏差或誤操作,，提高了生產(chǎn)過(guò)程的精確性。此外,，相比于傳統(tǒng)熱工裝備人工輸送物料,，采用自動(dòng)稱(chēng)量物料、進(jìn)料,、出料以及各道工序之間物料的自動(dòng)化輸送,，減少人為因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，提高質(zhì)量的穩(wěn)定性,。同時(shí),，人工操作減少，有利于減少生產(chǎn)安全隱患,。

另外,，隨著新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各種新工藝的應(yīng)用,，對(duì)于操作人員的要求越來(lái)越高,。設(shè)備自動(dòng)化程度提高，設(shè)備操作簡(jiǎn)單化,，可以降低生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)人員的技術(shù)要求,、管理要求以及培訓(xùn)周期,，降低人工成本,。

智能化

在自動(dòng)化的基礎(chǔ)上,，需要進(jìn)一步朝著智能化方向發(fā)展。熱工裝備的智能化技術(shù)應(yīng)當(dāng)包括：自我感知（先進(jìn)傳感技術(shù),、物聯(lián)網(wǎng)）,、智能分析與決策（云計(jì)算、智能控制）,、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)（大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè),、診斷和優(yōu)化）。

對(duì)于智能化熱工裝備,，首先要具有自我感知功能,，也就是通過(guò)先進(jìn)的傳感技術(shù)，實(shí)時(shí)在線準(zhǔn)確檢測(cè)裝備本身和先進(jìn)復(fù)合材料制備工藝過(guò)程中各種有關(guān)參數(shù),，甚至還包括所制備的材料和構(gòu)件的相關(guān)性能,，并將檢查感知到的數(shù)據(jù)傳輸至裝備的數(shù)據(jù)智能處理器或裝備生產(chǎn)廠商的數(shù)據(jù)處理中心。然后數(shù)據(jù)智能處理器或裝備生產(chǎn)廠商的數(shù)據(jù)處理中心對(duì)這些數(shù)據(jù)通過(guò)云計(jì)算,，進(jìn)行分析,，并根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果，自動(dòng)給裝備相關(guān)機(jī)構(gòu)下達(dá)調(diào)節(jié)指令,，相關(guān)機(jī)構(gòu)根據(jù)指令實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié),。最后，智能裝備要具有自我學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力,，即智能熱工裝備能根據(jù)所要處理的材料或構(gòu)件的初始和最終性能參數(shù)等,，能基于大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、診斷和優(yōu)化,，自動(dòng)給出合理的設(shè)備和工藝參數(shù),，進(jìn)行材料和構(gòu)件的熱處理。

另外,，熱工裝備的智能化,，應(yīng)當(dāng)還要包含裝備的信息化。即要將設(shè)備信息的數(shù)字化,，甚至可視化,，并將設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)，建立物聯(lián)網(wǎng),，采集到的數(shù)據(jù)存放到設(shè)備數(shù)據(jù)中心,，以提高智能熱工裝備的智能分析與決策及自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力和水平。

綠色化

熱工裝備的全面發(fā)展不僅要關(guān)注裝備性能和有助于材料及其構(gòu)件性能和生產(chǎn)效益的提高,，在當(dāng)前國(guó)家大力倡導(dǎo)工業(yè)制造綠色化的發(fā)展趨勢(shì)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(chǎn)品制造理念,，努力優(yōu)化和完善裝備設(shè)計(jì)與制造工藝，在滿足材料及構(gòu)件制備工藝要求的同時(shí),，要盡量提高能源利用效率,、減少材料制備過(guò)程產(chǎn)生的廢尾氣等對(duì)人體和環(huán)境的傷害和污染。

例如,，湖南頂立科技股份有限公司在設(shè)計(jì)制造某熱工裝備過(guò)程中,，在設(shè)計(jì)制造熱工裝備過(guò)程中，通過(guò)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與模擬等手段對(duì)爐體構(gòu)造,、加熱元件形狀及分布等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),，提高了設(shè)備節(jié)能性及均溫性；同時(shí)通過(guò)傳熱學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì),，采用新型隔熱爐襯結(jié)構(gòu),，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(guò)采用紅外輻射涂料涂層等新型節(jié)能材料,，并同時(shí)采用輕質(zhì)磚,、耐火纖維、復(fù)合爐襯,，降低爐殼外壁熱輻射,，減少熱損失，縮短升溫時(shí)間,。爐襯材料采用輕質(zhì)耐火保溫陶瓷纖維板,，與傳統(tǒng)全磚結(jié)構(gòu)爐襯相比，散熱損失和蓄熱損失大為減少,。纖維制品質(zhì)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(jié)構(gòu),，物料在熱處理過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)爐溫波動(dòng)現(xiàn)象,，比傳統(tǒng)爐型結(jié)構(gòu)節(jié)能30%左右，優(yōu)化了尾氣處理技術(shù),，提高了熱效率,，減少了廢氣排放,。最后根據(jù)工序中產(chǎn)生的尾氣成分，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的尾氣處理裝置,，依次對(duì)其中含有的有害物質(zhì)進(jìn)行處理,，實(shí)現(xiàn)了尾氣的無(wú)害排放。

“工欲善其事,，必先利其器”,，裝備制造技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)提升與轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵因素,。加快先進(jìn)復(fù)合材料相關(guān)熱工裝備制造技術(shù)的發(fā)展,，對(duì)推動(dòng)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”的轉(zhuǎn)變具有重大的意義,。

（文章節(jié)選自《先進(jìn)復(fù)合材料高溫?zé)峁ぱb備》）

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