陶瓷基复合材料： 在航空航天领域大展身手

陶瓷基复合材料是一种以陶瓷作为基体材料，以纤维、晶须或者颗粒作为增强体的复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料除了具有耐高温、高比强度高比模量高热导率、低热膨胀系数等一系列优良性能外，还具有基体致密度高、耐热震、抗烧蚀、耐辐照及低放射活性、抗疲劳和抗蠕变等特性，展现了优越的高温热力学性能和微观组织稳定性，是一种集结构承载和耐苛刻环境的轻质新型复合材料，在空天飞行器的隔热/防热、航空发动机涡轮叶片、火箭发动机及先进核能耐高温部件上拥有巨大的应用潜力。

除了用于航空航天部件，陶瓷基复合材料还可用于新型飞行器热防护系统和动力系统的关键部件以及其他民用动力装置的关键部件；先进核能系统中作为燃料包壳和面向高温等离子体材料及高温热交换材料；高性能制动系统的关键部件材料等。

陶瓷基复合材料的主要分类

陶瓷基体材料主要以结晶和非结晶两种形态的化合物存在，按照组成化合物的元素不同，又可以分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等。此外，还有一些会以混合氧化物的形态存在。
按照增强材料通常可分为颗粒补强陶瓷基复合材料和纤维补强陶瓷基复合材料两类。

纤维增强的陶瓷基复合材料大体分四类：C/C复合材料，在无氧环境下到三千度性能依然保持的很好，主要用在航天领域的高温部位；碳纤维增强的陶瓷材料，耐高温而且耐氧化，主要用作航天飞行器高温部位；氧化物纤维增强的氧化物，耐高温并且热导率很低，常用做高温部位的隔热材料；碳化硅纤维增强的碳化硅（或者氮化硅，SiCN等），这类材料最大的优点就是有望长时间在高温有氧环境下使用，因此主要的应用前景在航空领域，主要是高性能发动机。

 在航天领域的应用

陶瓷基复合材料以优异的耐高温和耐磨损性能取胜于其他复合材料，为航天航空事业做出了重大贡献。人造地球卫星、载人宇宙飞船等的发射成功，都离不开被称为“烧蚀材料”的陶瓷基复合材料，它可以在1200℃至1900℃的条件下使用。所以即使当宇宙飞行器从外层空间返回地球，和大气层产生剧烈摩擦，放出惊人热量的时候，“烧蚀材料”也能保护飞行器本体。

热防护系统是航天飞行器的4大关键技术之一。第一代热防护系统的设计是采用防热-结构分开的思想，即冷却结构外部加热防护系统。C/SiC 复合材料的发展，使飞行器的承载结构和热防护一体化。尤其是哥伦比亚号热防护系统失效造成的机毁人亡事件后,使C/SiC陶瓷基复合材料更受关注。在热结构材料的构件中包括航天飞机和导弹的鼻锥、导翼、机翼和盖板等；除了高热部件外还可作为卫星天线、反射镜的支撑结构等。

今年4月29日，空间站“天和”核心舱发射成功，中国科学院金属研究所（以下简称“金属所”）多项材料技术成果在“天和”核心舱获得应用。

其中，首次应用于核心舱电推进系统中的霍尔推力器腔体采用了由金属所研制的氮化硼陶瓷基复合材料。电推进系统也称电火箭发动机，是一种先进的空间推进技术，其主要特点是比冲高、寿命长、控制精度高。

据报道，金属所沈阳材料科学国家研究中心陈继新副研究员，带领团队解决了氮化硼陶瓷材料强度低、易吸潮、腔体放电状态不稳定、抗离子溅射能力差等难题，研制出具备低密度、高强度、抗热震、耐溅射、易加工、绝缘性能好等优点的氮化硼基复合材料，满足了推力器对陶瓷腔体材料的要求。

此外，霍尔推力器中还有多种部件也采用了该陶瓷材料作为高电压与低电压之间的绝缘介质。该氮化硼陶瓷基复合材料已广泛应用在重大航天计划中，满足了航天器对陶瓷腔体材料的高要求。

航空发动机发展的核心材料

为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗，最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温度。而涡轮前温度与航空发动机热端部件材料的最高允许工作温度直接相关。在喷气式发动机的发展史上，涡轮发动机材料的最高耐受温度每隔十年可以提升五十华氏度左右。CMC材料的问世足足将这个数字提升了2倍，达到一百五十华氏度。

在发动机上得到应用的主要有碳化硅纤维增强碳化硅复合材料（SiCf/SiC）和氧化物纤维增强氧化物复合材料（Ox/Ox）两种。

SiCf/SiC复合材料由碳化硅纤维（一般直径为12μm）、纤维表面界面层（厚度为0.2～0.5μm）、碳化硅基体3部分组成。该类材料抗氧化能力高、质轻（密度2.1～2.8g/cm3），高温（1200～1400℃）燃气寿命达几千小时，远高于高温合金使用温度，是军用/商用航空发动机核心机热端结构理想的材料。

Ox/Ox复合材料是指以氧化物陶瓷为基体与氧化物纤维（直径一般为10～12μm）复合的一类材料。该材料比SiCf/SiC的耐温能力略低（1150℃左右），但由于不存在氧化问题，其寿命可达到上万小时，加之密度低（约2.5g/cm3）、价格合理，是涡轴、燃气轮机核心机高温结构及涡喷、涡扇发动机尾喷管结构的优选材料。

20世纪80年代，法国率先研制出SiC/SiC陶瓷基复合材料，并成功应用于M88-2发动机和F100型发动机。如今，陶瓷基复合材料已成为可替代高温合金的发动机热端结构首选材料。此外，陶瓷基复合材料在航空领域的应用还包括发动机、喷口导流叶片、机翼前缘、涡轮叶片和涡轮罩环等部位。

主要的发动机生产厂家

GE航空集团的陶瓷基复合材料应用全面开花。GE航空集团是迄今为止SiCf/SiC复合材料应用最成功的发动机公司。1992年，在美国能源部项目支持下，GE航空集团开创性地发展出预浸料－熔渗工艺，实现了高性能SiCf/SiC复合材料的快速、低成本制备，历经了10余年的“碳化硅纤维研发－复合工艺”多轮迭代，以及“材料级－元件级－零件级－部件级－整机”积木式的验证过程，累计试车时间达到百万小时以上。

2009年，该公司研制的SiCf/SiC复合材料低压导向叶片在F136发动机上完成验证，并于2010年完成首飞。虽然该型发动机并未实现量产，但该材料作为一项通用型技术，已被推广至商用发动机、燃气轮机及下一代军用涡扇/涡轴发动机等各类发动机新型号中。

2014年GE航空集团以F414发动机为验证平台，开展了涡轮转子叶片的试验，预示着其在下一代自适应-变循环军用涡扇发动机中打造“全陶瓷发动机”的雄心。

2016年以来，GE航空集团先后建立了涵盖“碳化硅纤维－预浸料－结构件”等工艺全流程的4个工厂，产量预计达到每年2万件以上。大规模厂房及人力的投入标志着该材料及技术已经成熟。

在商用航空发动机方面，2016年在LEAP发动机的涡轮外环率先使用SiCf/SiC复合材料并已批产，继而在新型GE9X商用发动机的燃烧室、导向叶片、涡轮外环等结构使用了该材料，耗油率比GE90-115B降低10%，该型号已于2018年开始试飞。

在燃气轮机方面，H型燃气轮机使用了SiCf/SiC复合材料涡轮外环，其燃烧效率创造的了世界纪录。新一代军用涡轴GE3000发动机使用了陶瓷基复合材料，比T700型发动机耗油率降低25%，全生命周期成本降低35%，寿命延长20%，功重比提高65%。

2018年，GE航空在美国阿拉巴马州Huntsville市兴建的CMC基地盛大开幕，是美国首个一体化CMC产品供应链公司。时到今日，GE为研发CMC技术，投入了数百名技术专家和超过15亿美元资金，目前CMC技术成为GE所掌握的最新锐、最领先的技术之一，为公司业务发展和世界航空工业的发展带来巨大变革。

GE9X 发动机是世界最大商用航空发动机。该发动机的燃烧室火焰筒、第一级高压涡轮喷管和罩环以及第二级高压涡轮喷管都由 CMC 制造。

法国赛峰集团也是SiCf/SiC复合材料的主要践行者之一。该公司掌握了化学气相渗透工艺，并首先应用于在M88-2发动机的尾喷管外调节片上。此后，该公司研制的SiCf/SiC复合材料的内调节片在F-15和F-16飞机上进行了试飞。

罗罗公司计划将CMC引入其军民用发动机产品线。其计划内容包括在Advance系列的较小型号发动机上使用带有CMC内衬的无罩环涡轮以及CMC喷管。2015年前后，罗罗公司还与Orbital-ATK公司一道加入了波音公司的787环保演示验证机项目，在美国联邦航空管理局（FAA）的Cleen项目指导下利用一台Trent1000发动机测试陶瓷喷管。试验结果显示CMC材料系统的耐高温性能超过了超合金，重量比钛合金降低了20%，有效降低了燃油消耗。

罗罗公司2015年收购了位于美国加州的专业CMC生产商Hyper-Therm公司，该公司与NASA合作开发了首先用于液体火箭推进系统的主动冷却、连续纤维增强SiC基复合材料推力室。

普惠公司十分注重耐高温陶瓷基复合材料在军民用发动机热端转子部件上的应用研究，而对 CMC 在热端静子部件上的应用效果却并不看好。普惠主要关注能够承受 2700°C 以上高温的 CMC 材料，并认为 CMC 应用于转子件上才能带来最大收益。普惠还打算在未来高压涡轮转子叶片上使用耐高温能力更强的 CMC 材料，这也是CMC 材料低密度特性的价值所在。

日前，普惠公司在加利福尼亚州卡尔斯巴德启用了陶瓷基复合材料研发的新设施。这套新设施占地约60000平方英尺（5574平方米），专门用于在航空航天领域内陶瓷基复合材料的研发、应用和小批量生产。

普惠公司推进和材料技术副总裁表示：“正在利用这套设施进行创新研究，将确保公司在未来几十年能够继续在航空技术的最前沿领域开展各项业务”。

来源：荣格-《国际复材技术商情》


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