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美国正全力攻关下一代陶瓷基复合材料

发布时间：2017/10/27 0:10:11

      未来航空发动机的涡轮前进口温度将远超出高温合金材料的温度使用极限，而陶瓷基复合材料（CMC）具有更好的耐高温性能，因此美国的研究人员正在探索研究各种具有更高耐热性和更强耐损伤性能的CMC，有望为未来发动机的发展带来新的契机，并全面革新发动机的结构设计和工作效率。

高温材料对提升发动机性能至关重要。目前发动机热端部件主要采用的是使用温度约1100℃的镍、钴基高温合金，开发使用温度高于1100℃的新型高温材料是业界的努力方向。陶瓷材料具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化和抗烧蚀等优异性能，但由于陶瓷材料脆性大，导致材料结构可靠性差，限制了其在航空发动机及工业燃气轮机等高温结构部件上的应用。

而陶瓷基复合材料（CMC）重量轻、强度高、耐高温，是发动机高温部件的理想材料。CMC与高温合金相比，CMC具有如下优点：重量更轻，CMC部件重量仅为镍基高温合金部件的1/3；更耐高温，CMC材料应用温度比镍基高温合金高260℃；更高效，部件可承受更高的温度意味着需要更少的冷却气体，可将更多的空气用于燃烧室中燃烧从而发动机具有更大的推力；更节能，可使发动机循环温度更高、燃料燃烧更充分，相应地可减少燃料消耗和氮氧化物排放。

经过30多年的发展，CMC涡轮喷嘴和涡轮罩环等静子部件已经在商用发动机上有所应用； CMC动部件低压涡轮叶片也通过了地面试验，下一代商用发动机上CMC将实现静子部件和动部件的联合应用。随着发动机对CMC需求的加大，美国正着力解决CMC耐损伤容限不足和耐温不足的问题，如通过改进陶瓷基先驱体和采用纳米纤维等方式，开发更耐高温和具有更高损伤容限的CMC。

连续纤维增强的CMC是指以连续纤维作为增强体，以陶瓷材料作为基体，制成的一种复合材料。由于采用了连续纤维增强增韧，所以陶瓷基体材料克服了其脆性，保留了其优异的耐高温性能，具有替代高温合金且成为新一代发动机高温结构材料的潜力。

陶瓷基复合材料的发展现状和水平

CMC中研究*为广泛的是以碳化硅（SiC）为基体的陶瓷基复合材料，主要是因为相较于其他基体材料，碳化硅材料具有更好的耐高温性能，可承受1316℃以上的高温。碳化硅基CMC主要有碳纤维增强碳化硅（C/SiC）和碳化硅纤维增强碳化硅（SiC/SiC）两种。C/SiC的*高使用温度可达2000℃，SiC/SiC的*高使用温度为1600℃。由于C/SiC抗氧化性能较SiC/SiC差，在高温下只能短时间使用，因此国内外普遍认为航空发动机热端部件*终获得应用的是SiC/SiC。

西方发达国家在SiC/SiC发动机高温结构件的研究起步较早，积累了大量的研究成果,部分已达到实用水平。20世纪90年代，美国NASA通过使能推进材料（EPM）项目的研究成果将SiC/SiC确定为民用飞机的*佳材料体系。据GE公司统计，在喷气发动机的历史里，发动机涡轮材料的耐受温度平均每10年增加10℃；然而随着陶瓷基复合材料的引入，仅在*近10年里，发动机涡轮材料的耐受温度提高了66℃。

CMC首先在发动机热端静子部件获商业应用

20世纪90年代中期，斯奈克玛公司与普惠公司在F100发动机的喷管部件上开展了连续纤维增强CMC的工程化研究应用，重点进行了模拟飞机发动机使用环境下的强度寿命考核试验验证，并在F-15E战斗机和F-16战斗机的F100-PW-229发动机上进行飞行试验，考察了连续纤维增强陶瓷基复合材料在发动机全寿命试验下的使用可靠性和可维护性。

目前，SiC/SiC的CMC已经在CFM国际公司的LEAP发动机热端静子部件上实现了工程化应用，并完成了首飞。LEAP发动机的一级、二级高压涡轮喷嘴和一级高压涡轮罩环均使用了CMC，使得LEAP发动机的高压涡轮的效率和耐久性大幅提高，发动机重量减轻了数百千克，节重放大效应远远超过3:1。此外，LEAP发动机的低压涡轮导向器叶片采用SiC/SiCCMC，可耐1200℃以上的高温，并且不需要冷却，易于加工。

CMC热端旋转部件也完成了地面试验

发动机原始设备制造商认为CMC*大的应用应该是在转子部件上，而CMC材料从静子件向转子件过渡的一个关键挑战是必须适应转子部件的内部应力。2015年2月，GE公司通过F414涡扇发动机验证机成功验证了CMC低压涡轮叶片，这也是世界上*非静子组件的轻质CMC部件。

GE公司SiC/SiC低压涡轮叶片重量将仅为金属叶片重量的1/3，且第二级CMC叶片不必空气冷却，气动效率更高。此外，由于CMC叶片更轻，因此可以减小连接CMC叶片的金属叶盘的尺寸和重量，且更轻的叶片导致更小的离心载荷，意味着轮盘、轴承和其他部件能够更轻薄。F414发动机的CMC部件试验经历了500个严酷的循环，验证了轻质、耐高温CMC材料制造的涡轮叶片极强的耐高温和耐久性能力，因此该材料将广泛用于GE公司自适应循环战斗发动机和下一代商用发动机。之后，该验证机还将进一步设计并用于验证GE公司当前与美国空军研究实验室合作开展的下一代自适应发动机技术验证机（AETD）项目在高应力工况下的耐高温性能。

在商用发动机领域，GE公司正在研发的用于波音777X宽体客机的GE9X发动机，将含有5个不同类型的SiC/SiC CMC零件：燃烧室内/外衬、一级高压涡轮罩环、一级喷嘴、二级喷嘴以及低压涡轮转子叶片。与LEAP仅在一级高压涡轮罩环上使用CMC相比，燃烧室和涡轮叶片应用CMC材料是GE9X的一个重大技术突破，GE公司估计GE9X发动机采用陶瓷基复合材料涡轮转子叶片后总重将降低约455kg，相当于GE90-115发动机净重的6%。GE9X发动机的推力级别将达到450kN级，燃油效率较目前的GE90-115B将提高10%。

GE公司建成大规模CMC部件生产设施

GE公司预测，未来10年发动机中CMC的用量将增加10倍。为实现该目标，GE公司除了在纽约设立的全球研发中心以外，还完成了垂直一体化CMC供应链的4个生产设施，即GE航空集团总部负责CMC产品设计的CMC实验室；CMC原材料及部件的小批量生产厂；CMC部件大批量生产厂，生产包括LEAP所使用的SiC/SiC涡轮罩环等部件，其目标是在2020年实现年产能超过36000个罩环；以及CMC大批量原材料生产设施，该设施包括两间工厂，分别批量生产碳化硅陶瓷纤维和使用碳化硅纤维生产单向预浸料。

碳化硅陶瓷纤维工厂将是美国国内*规模量产该材料的工厂，此前全球范围内仅在日本有一家隶属于NGS先进纤维公司的碳化硅陶瓷纤维量产工厂，正是该工厂一直为GE提供CMC部件所需的碳化硅纤维原材料，其中NGS是日本碳素株式会社（50%股权）、GE（25%股权）和法国赛峰集团（25%股权）于2012年共同出资建立的合资公司。在工艺技术方面，GE的碳化硅纤维工厂主要来自NGS公司的授权；资金方面则来源于美国空军实验室的资助（2190万美元）和GE自筹的资金。碳化硅纤维工厂竣工投产后，美国国防部、GE航空、赛峰集团将成为其主要客户。单向预浸料工厂的资金由GE公司单独承担，产品将供给CMC工厂生产零件，完工的零件运送到先进陶瓷涂层公司（ACC）进行表面处理，将陶瓷环境障涂层（EBC）应用在SiC/SiC组件表面，从而保护组件免受侵蚀。

美国下一代陶瓷基复合材料的技术攻关方向

美国下一代CMC用在发动机热端部件时面临两项挑战：一是材料韧性不足，难以满足疲劳性能需求；二是材料制备工艺复杂、成本高等问题。目前的应对措施之一是开发不同于GE所用的熔融渗透制备工艺，因为老工艺下硅挥发过多，导致基体中形成裂缝，造成材料脆性大、韧性不足。措施之二是，改进材料成分，改变含硅材料在高温下会与水蒸气反应、造成成分损失的问题，从而减少对多层环境障涂层的依赖，达到降成本的目的。

新专利水样聚合物具有更高温稳定性

美国堪萨斯州立大学的研究人员开发出一种水样聚合物（具有与水类似的密度和黏度），可加工成1700℃的陶瓷材料，质量密度比其他超高温陶瓷（如硼化锆和碳化铪等）低3～6倍。这种聚合物由硅、硼、碳、氮和氢5种成分组成，比其他的SiBNC聚合物具有更长的保质期，其生成的陶瓷具有随机微观结构，这种结构在传统陶瓷材料中一般观察不到：硅原子与氮和碳连接而不是与硼连接；碳原子与另一个碳连接形成类石墨烯的链状结构。这种独特的结构可以延迟与氧气的反应，从而使得材料在高温下具有较高的稳定性。

这种水样聚合物也可以用于制造陶瓷纤维。当加热到50℃～100℃，该聚合物成为一种糖浆样凝胶，可以拉丝制成陶瓷织物或网。它也可以注入模具，加热成形，制成高精度、复杂形状陶瓷部件。其他灵活的加工方式包括用于高温防护的可喷涂涂层以及3D打印。这种聚合物与碳纳米管相结合，由此产生的黑色物质能吸收所有的波段光而不发生反射损失，甚至包括紫外线和红外线等波段，能耐受功率密度达15000W/cm2的高温能量场。

SiC须状纤维可有效增强复合材料韧性

针对火箭发动机中的CMC零件必须承受1600℃的温度，且在氧气中容易产生裂纹及变脆的问题，美国赖斯大学与NASA合作，探索碳纳米管如何改善碳化硅基CMC的耐损伤性能。其中，赖斯大学将碳纳米管和碳纳米线嵌入到NASA提供的碳化硅纤维表面，形成了一个纳米级的“维可牢”（Velcro）,纤维暴露在外的部分卷曲，像钩子和环一样，在纤维缠绕的位置产生了很强的内锁连接力，这不仅使得复合材料不易开裂，同时也将复合材料密封起来防止氧气改变纤维的化学成分。

其具体的工艺流程包括3步：研究人员先将碳化硅纤维浸没在铁催化剂中，以生成连接碳纳米管的化学键；然后使用水辅助化学气相沉积(CVD)直接将碳纳米管嵌入到纤维表面；随后加热至高温，将碳纳米管转化为碳化硅纤维的晶须。测试结果表明，生长碳纳米管的碳化硅比无碳纳米管的碳化硅纤维更耐高温，且很容易做到耐受1000℃的高温。在高压力状态下，生长碳纳米管的碳化硅可以轻松地在纳米压头下反弹，极大地增加了其抗裂韧性。