陶瓷基复合材料在航空发动机上应用的探究

　　摘要：陶瓷基复合材料具有优异的性能，不仅耐高温、密度低，而且具有高比强、高比模和较强的抗氧化性，其具有的这些特性使其非常适合应用于航空领域，作为战略性热结构材料。通过在航空发动机上应用陶瓷基符合材料，能够有效提高其热结构件的使用温度，同时降低结构重量，使发动机的推重比得到提升。当前，陶瓷基复核材料在高性能航空发动机上已经获得了重要应用，本文对陶瓷基符合材料在航空发动机上应用的关键问题进行了探讨。

　　一、航空发动机的要求

　　航空发动机的核心部件包括压气机、燃烧室和涡轮等部，航空发动机需要在较高温度下工作，转速高，压力高，需要承受的应力大，由于这些特点，其对热端部件材料的要求较高，所采用的的部件需要复杂的工艺进行加工，成本高昂，研制成本高，研制周期长，是航空发动机研制过程中的难点和关键技术集中地部分。从喷气式发动机发展的过程来看，发动机耐热材料在不断的发展，平均每年材料的耐温能力提高1℃。通过对航空发动机的发展和研究情况进行分析，若不改变涡扇发动机的结构，其喷射出的高热气体温度超过了钛合金等航天常用材料的使用极限，在这种的情况要想提高发动机的性能，需要对高温部件进行处理，在其表面涂冷热障涂层，对其进行保护。但是这种措施有明显的缺点，在应用冷却气流后，参与燃烧的空气量会降低，进而影响到发动机的燃烧效率；同时，会导致部件结构更加复杂，提高了研发、加工和维护等的难度和成本，因此研发具有优异性能的材料来作为发动机热端材料是解决这一问题的根本途径。陶瓷基复合材料具有耐高温、密度低等方面的特点，同时对裂纹不敏感，不会发生灾难性损毁等方面的特点，非常适合应用到发动机热端部件，不仅能够满足高温下使用的需求，同时可以降低部件的重量，当前已经成为航空发动机更新换代的关键热结构材料。

　　二、陶瓷基复合材料的性能特点和制备工艺

　　（一）陶瓷基复合材料的性能特点

　　传统的陶瓷材料脆性大，易碎，并不能够在应用到发动机上。陶瓷基复合材料是基于陶瓷组分，应用高强度、高弹性的纤维材料，和成分相近或者相同的陶瓷基体复合，制备的一种高性能材料，通过加入纤维材料能够阻止材料中的裂纹扩展，使复合材料具有较强的韧性。按照基体材料的不同，可以将陶瓷基复合材料分为氧化物基和非氧化物基两种。其中，氧化物基陶瓷基复合材料基体选用具有较高熔点的氧化物，如氧化铝和氧化锆等，增强材料则选用氧化物纤维。这种类型的陶瓷基复合材料具有抗氧化的优点，但是抗蠕变性能较差；非氧化物基复合材料的基体材料主要选用连续陶瓷纤维（C 和SiC）和纤维增韧材料补强SiC 基体材料。主要包括碳陶瓷基复合材料和碳化硅陶瓷基复合材料，其中碳化硅基陶瓷复合材料是最为主要的一种，也是本文研究的重点。碳化硅陶瓷基复合材料具有碳化硅陶瓷具有的优异抗氧化性能和高温力学性能，同时又具备了较好的韧性，综合性能优异。

　　碳化硅陶瓷纤维和纤维增韧材料制备的连续纤维补强增韧陶瓷基复合材料实现了两类材料的互补，使制成的复合材料达到了1+1＞2 的效果，具有两类材料的优异性能，具有耐高温、抗氧化、低密度、高比模等方面的优点，而且强度和韧性得到了极大地提高，不会出现瞬时性灾难性损坏。

　　（二）陶瓷基复合材料的制备

　　当前，陶瓷基复合材料的制备方法主要包括化学气相渗透法、反应性熔体渗透法、先驱体浸渍热解法和浆料浸渍结合热压法等几种。其中应用化学气相渗透法进行基体、界面涂层和界面层等的制备；反应性熔体渗透法的优点是能够有效地控制内部缺陷，确保材料致密化，而且制备成本低。

　　三、碳化硅陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用

　　当前，为了提高军用飞机的性能，军用航空发动机推重比不断提高，第四代涡扇发动机的推动比为10，涡轮前进口的温度达到1550~1700℃；根据推算，第五代涡扇发动机前进口温度应达到1950~2150℃的水平。在这样的背景下，需要新型的耐高温结构材料来满足军用航空发动机的需求，而碳化硅陶瓷基复合材料以其优异的性能，受到了军用航空发动机研究人员的青睐，是当前发动机耐高温材料的首选。通过应用碳化硅陶瓷基复合材料制备涡轮部件、喷嘴和燃烧室火焰筒等部件，从而能够有效地的降低冷却空气的用量，明显的对燃烧情况进行改善，使燃烧的效率得到提升，同时造成和污染水平也可以得到下降。由于不需要冷却，可以简化或省去冷却结构，对结构设计进行优化，加之碳化硅基陶瓷材料密度低，可以有效的降低航空发动机的质量。碳化硅陶瓷基复合材料可以制作发动机喷灌调节片/密封片，这已经在多种信号的发空发动机上得到了应用，如 M88-2、F100、F136 等，A380 和F35 等民用、军用飞机的发动机喷管部件上都应用了碳化硅陶瓷基复合材料。

　　发动机的燃烧室和加力燃烧室的工作环境都非常复杂，不仅要承受高温、复杂应力和热冲击等，还会遭受到水氧腐蚀，其中燃烧室的火焰筒、加力燃烧室的内椎体和隔热屏等都是大型薄壁回转体结构，都是中等载荷静止件，通过采用碳化硅陶瓷基复合材料来制作这些部件，能够有效的提高这些部件的使用温度，并且降低结构的质量，提高发动机的性能。随着航空发动机的推重比不断增加，其对于涡轮构件的要求不断提高，需要其能够承受更高应力和温度，应用目前的高温合金、冷却结构和热障涂层等技术很难满足当前的要求，碳化硅陶瓷基以其优异的性能，已经成为下一代航空发动机涡轮构件的首选材料，当前，美国在航空发动机方面处于领先地位，其在航空发动机涡轮构件研发中也非常重视碳化硅陶瓷材料，将其作为研究的重点，如美国的Lewis 公司研制了碳化硅涡轮转子，可以在 1400℃下使用；GE 公司研究了碳化硅高压涡轮外环，通过应用这一构件，发动机的推力可以提高10%，而该构件的质量可以降低三分之二，而且试验中该构件的使用寿命超过20000h；GE 公司还试验了SiCf/SiC 无冷却涡轮动叶，具有良好的耐温性能。

　　结论

　　为了提高航空发动机的性能，需要先进的技术手段、材料、加工工艺和结构设计。随着航空发动机对于推重比的要求越来越高，需要降低发动机结构重量，提高结构的耐温性，传统材料难以满足要求，而在新一代发动机研究中，碳化硅陶瓷基符合材料已经成为航空发动机热端部件的首选材料，因此我国应碳化硅陶瓷基复合材料在航空发动机方面应用的研究，提高我国航空发动机性能，推动给我国航空行业的发展。

　　参考文献：

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