资讯 | 详解先进陶瓷基复合材料的主要特性及其在航空结构领域的代表性应用

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陶瓷基复合材料简述

目前，陶瓷基复合材料（CMC）具有重量轻、热膨胀低、耐高温、抗氧化等系列有点，并已被建议用于要求高强度和断裂韧性的飞机结构。与传统金属等工程材料相比，CMC更能抵抗侵蚀性环境和高温。

在CMC中，陶瓷作为基体材料，它是由具有小颗粒尺寸（微米或纳米）、高纯度和良好机械、耐热和电阻的原材料通过相对复杂的工艺制造的。陶瓷通常在离子和共价之间形成混合化学键。它们具有高硬度、化学稳定性、低密度和耐火性。

在CMC中，增强相可以是纤维、晶须和连续颗粒，因此CMC的特性由增强相的体积分数、分布、尺寸、取向和几何形状等因素决定。CMC的应用领域包括航空航天结构、高温阀芯、面板、内燃机和涡轮机等。CMC现在正在进入许多新的领域，随着生产成本的显著降低，其应用范围也将扩大。

在一些典型应用中，CMC有逐渐扩大化的趋势，比如：飞机制动器已从有机材料（如非石棉有机制动器材料和石棉纤维增强树脂基复合材料）过渡到粉末冶金材料（如铁和铜基金属）以及碳/碳复合材料（碳制动器）。

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制动系统用陶瓷基复合材料

下图显示了用于航空航天领域的不同纤维取向的碳-碳复合材料（单向增强）。它们具有优异的高温、机械和热性能，因此碳制动器可以应对传统制动器的低温性能。此外，与钢制制动器相比，碳制动器显著减轻了制动系统的重量，这直接有助于减少与发动机排放相关的燃油消耗。波音737 NG的制动系统由碳制动器制成，比钢制制动器轻300公斤。

与碳制动器相比，碳纤维增强陶瓷基质复合材料(C/SiC CMC)制动器具有长寿命和低摩擦敏感性、高摩擦系数和稳定性、以及低氧化等特性，同时保留了碳制动器的优点。C/SiC制动器表现出一些优异的摩擦性能，例如高静摩擦系数、对潮湿条件的较低敏感性、低磨损率和较高的制动效率。因此，C/SiC刹车材料作为第四代飞机刹车材料，已成为人们关注的焦点。

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飞机发动机用陶瓷基复合材料

随着飞机发动机推重比的增加，喷嘴、燃烧室和涡轮部件等高温部件上的热流和冲击载荷变得更加严重。例如，当推重比为10时，涡轮机进口温度达到1500℃，如果推重比进一步增加，涡轮机进口温度可升至1800℃。

连续纤维增强陶瓷基复合材料，如碳化硅纤维增强陶瓷基体复合材料（SiC/SiC CMC）和碳纤维增强陶瓷基质复合材料(C/SiC CMC)具有低密度2-3 g/cm3，耐高温高达1600℃，并且与单片陶瓷相比，具有更高的断裂韧性。因此，CFRC CMC被认为是一种很有前途的材料，可以满足航空发动机热段部件的要求。它可以将工作温度提高到200–350℃， 从而减少甚至替换冷却结构。

纤维增强陶瓷基复合材料截面

此外，它还有效地提高了航空发动机的可靠性。CFRC CMC已用于M882、F100PW229、CFM565B、F135、GEnx、LEAPX等航空发动机的喷嘴、燃烧室、涡轮定子和其他热段。CMC制造技术被认为是航空发动机热段部件的领先改进技术，因此受到欧美、俄罗斯等发达国家和地区的高度重视。

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陶瓷基复合材料在航空领域代表性应用

虽然单片陶瓷材料可以表现出其固有的性能，但它们在航空发动机中的主要问题是对缺陷的敏感性和脆性断裂模式。连续纤维CMC是一类有趣的材料，因为：与高温合金相比，它们具有高温性能；与单片陶瓷相比，CMC具有更高的断裂韧性，可用于更需要结构完整性的地方。因此，CMC有很大的潜力来满足这些飞机发动机的一般要求。

CMC可以实现更高的材料温度，引入热障涂层（thermal barrier coating，TBC）和空气冷却板，从而放弃使用冷却空气来提高性能。当然，要在航空发动机中成功使用CMC，必须考虑该系统的整体效益。此外，CMC可以显著减轻重量，因此其潜在应用包括飞机发动机部件的非结构和结构部件。

4.1 涡轮叶片

燃气涡轮机叶片特别需要耐高温材料。碳/碳（C/C）复合材料涡轮叶片可在1050℃左右的涡轮机废气中保持高强度，并且非常轻。这些特性使飞机有可能达到10马赫的速度。相比之下，钛基复合材料只能达到3.8马赫（工作温度450℃）。

4.2 制动系统

4.3 叶片圆盘

叶片盘（旋转部件）的设计主要由不同于静态部件的力/密度比驱动。轻量化的叶片消除了额外的重量，减少了轴负载、轴承室负载等。这一系列效果可以带来比单独应用CMC更大的系统效益。

室温下的最大抗拉强度接近500MPa。通过使用化学气相渗透（CVI）和聚合物浸渍和热解（PIP）的组合技术，使用连续Tyranoe Si-Ti-C-O（LOXM级）的三维编织织物可使其致密化。

4.4排气喷嘴

目前，数家公司正在评估基于CMC的排气喷嘴，以提高亚音速喷气发动机部件的耐用性，并避免与使用更高金属合金带来的相关重量增加。

波音公司正在为商用飞机开发Nextel 610/铝硅酸盐复合材料声学核心和排气喷嘴。通用电气航空公司在Ox/Ox化合物方面投入了大量资金，Ox/Ox材料最初被用作F414发动机的发散排气密封。防锈蚀CMC排气地面试验演示器用于未来的大型民用运输（高速民用运输HSCT）、超音速飞机。

4.5 涡轮喷嘴

涡轮喷嘴叶片形状复杂，使用SiC晶须和氮化硅（Si3N4）粉末的滑动/髋模铸件用于成形研究。然而，一些关键技术，如材料系统的开发（非氧化碳化硅纤维、基体和界面的热稳定性）、设计方法的建立、低成本的制造工艺以及无损评估技术的开发，都需要进一步的优化，才能在CMC中得到广泛应用。

通用电气航空公司测试了全球首个用于F414发动机低压涡轮叶片的旋转SiC基CMC材料。为了使CMC发动机零件在飞机中的使用量翻倍，已经启动了一些项目，其中可以承受更高温度并节省重量而不需要冷却空气的材料将是首选。

东映碳材有话说：

中间相沥青碳纤维模量高、热导率高、热膨胀系数低，将其引入CMC，可实现复合材料轻量化的同时，大大提高了复合材料的力、热综合性能，且可设计性强。随着CFMP的产业化进程的加速，其或可在航空航天、高端制造领域发挥更重要的价值。