前沿 | 淺談陶瓷基復(fù)合材料(CMC)

航空產(chǎn)業(yè)網(wǎng) 2019-10-05

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陶瓷基復(fù)合材料(CMC)的定義

復(fù)合材料可根據(jù)基材的不同分為三類：聚合物基復(fù)合材料(Polymer Matrix Composite,PMC)，金屬基復(fù)合材料(Metal?Matrix?Composite,?MMC)與本篇主要介紹的陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic Matrix Composite,CMC)。其中，PMC的應(yīng)用在航空航天中占據(jù)主導(dǎo)地位，以至于現(xiàn)在人們提起復(fù)合材料，就會聯(lián)想到熱固性塑料和CFRP（碳纖維強化聚合物基復(fù)材）等名詞。

復(fù)材分類由航空產(chǎn)業(yè)網(wǎng)整理

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）是以陶瓷為基材復(fù)合材料，是近十余年才開始較大范圍使用的新材料。陶瓷是人類使用歷史最悠久的材料之一，有諸多優(yōu)良的特性，例如高強度，耐高溫，重量輕等。但由于其韌性差，傳統(tǒng)工業(yè)上，陶瓷僅有制造切削工具等為數(shù)不多的應(yīng)用。而開發(fā)陶瓷基復(fù)合材料CMC就是為了克服傳統(tǒng)陶瓷的疲勞特性和韌性問題，同時仍然利用陶瓷基體的固有的高強度和耐高溫性能。

2001款911RS2首次應(yīng)用了C/SiC剎車盤

工業(yè)上使用的CMC大致分為非氧化物型和氧化物型。在非氧化型中，主要有用于高級跑車等的剎車、離合器等的碳纖維增強SiC基復(fù)合材料(C/ SiC)和用于飛機發(fā)動機等的是SiC纖維增強SiC基材復(fù)合材料(SiC/SiC)。

噴氣式發(fā)動機高溫材料的歷史，從20世紀(jì)40年代鑄造合金的使用開始，耐高溫性能逐漸提高，但自20世紀(jì)90年代以來已接近金屬材料的理論極限，只能達(dá)到約1150°C。

渦輪入口溫度(TIT)的提高

SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料，將長多股SiC纖維與SiC陶瓷復(fù)合在一起，能顯著提高陶瓷材料性能：即保留了SiC陶瓷耐高溫、高強度、抗氧化、耐腐蝕、耐沖擊的優(yōu)點，同時兼具SiC纖維增強增韌作用，克服了SiC陶瓷斷裂韌性低和抗外部沖擊載荷性能差的先天缺陷。

渦輪葉片典型工況下SiC/SiC優(yōu)勢巨大(圖片來自IHI)

在航空噴氣發(fā)動機中使用的SiC纖維的CMC復(fù)材(SiC/SiC)具有承受1200℃甚至1400℃的高溫性能，主要用于發(fā)動機燃燒室內(nèi)襯、噴口導(dǎo)流葉片、機翼前緣、渦輪葉片和渦輪罩環(huán)等部位，是目前關(guān)乎到發(fā)動機性能的先進戰(zhàn)略級材料。目前主要面臨問題是如何降低成本和建立性能檢測技術(shù)等問題。

在氧化物類(OX/ OX)中，有莫來石纖維增強的氧化鋁基質(zhì)復(fù)合材料和氧化鋁纖維增強的氧化鋁基質(zhì)復(fù)合材料等，使用溫度約為1000℃。一般來說，性能比不上非氧化型CMC。

前景光明的SiC纖維

日本由于礦產(chǎn)資源匱乏，新型復(fù)合材料的研發(fā)一直作為國家戰(zhàn)略。坐落于仙臺的東北大學(xué)（魯迅曾就讀其醫(yī)學(xué)部）在材料科學(xué)方面處在領(lǐng)先地位。SiC纖維就是于1975年在日本東北大學(xué)誕生的一種新技術(shù)。研究成果的成功轉(zhuǎn)化使日本公司在全球獲得了大部分SiC纖維的市場份額。

SiC纖維由聚碳硅烷制備，來自NGS

工業(yè)化生產(chǎn)SiC纖維，主要是用東北大學(xué)發(fā)明的先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法。先生產(chǎn)聚碳硅烷并熔紡成連續(xù)聚碳硅烷纖維，再經(jīng)過空氣中約200 ℃氧化交聯(lián)得到不熔化聚碳硅烷纖維，最后在高純氮氣保護下1000℃以上裂解得到SiC纖維。

三代SiC纖維性能對比

典型的SiC纖維產(chǎn)品是日本Nippon Carbon公司的Nicalon和宇部興產(chǎn)公司的Tyranno纖維。目前已發(fā)展到第三代。

碳纖維與SiC的2018年市場份額，圖片來自NGS

目前，SiC纖維產(chǎn)量僅為碳纖維產(chǎn)量的萬分之一，市場前景良好。主要問題是工藝性的提高和成本降低上。

SiC纖維采用化學(xué)氣相沉積（CVD)方法制備涂層，與基質(zhì)結(jié)合形成預(yù)浸料。

預(yù)浸料鋪貼后經(jīng)過壓實、機械加工并通過檢驗后成為CMC零件。

CMC材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用案例

CMC作為熱防護系統(tǒng)的例子，圖片來自NASA

CMC最早用于航天飛機等的熱防護系統(tǒng)。例如CMC材料（C/C結(jié)構(gòu)）制成的隔熱瓦能很好的解決航天飛機再次進入大氣層時艙體因與空氣摩擦而溫度過高的問題。

NASA的X-33在氣動加熱效應(yīng)明顯的機頭和機翼前緣使用了C/C復(fù)合材料。新一代的高超聲速飛機，CMC也是必不可少。

近年來，高性能的CMC(SiC/SiC)逐漸被用于發(fā)動機的靜止零件。如尾噴管、護罩等。由于高昂的成本，CMC零件首先被用于軍用發(fā)動機。賽峰發(fā)動機（包括原Snecma）在80年代就在M88發(fā)動機尾噴管上應(yīng)用了CMC。普惠的F119與GE航空的F414均使用了CMC做尾噴管等部位的零件。羅羅也有將CMC用于發(fā)動機零件的實驗性嘗試。另根據(jù)公開報道，我國的WS-15也使用了CMC材料的尾噴管調(diào)節(jié)片。

LEAP使用CMC材料制造渦輪護罩，圖片來自CFM

CFM公司的LEAP發(fā)動機是第一款采用CMC組件的商用噴氣發(fā)動機。LEAP發(fā)動機采用18個固定式CMC渦輪罩環(huán)。因使用CMC材料，僅需要較少的空氣從流動路徑中轉(zhuǎn)向以冷卻熱區(qū)部件，通過保持更多的空氣產(chǎn)生推力而不是冷卻部件，發(fā)動機有更大的推力下的同時擁有更高的效率。?根據(jù)最近國外研究，到2026年，CMC市場預(yù)計將達(dá)到75億美元，主要受核工業(yè)、航空航天業(yè)需求以及國防產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的推動。

F414上測試的低壓渦輪葉片，圖片來自GE

CMC作為運動零件，目前尚無大規(guī)模航空應(yīng)用。2015年2月，GE在F414上曾經(jīng)完成了CMC低壓渦輪零件的500個循環(huán)的測試。驗證了由輕質(zhì)耐熱CMC制成的渦輪葉片優(yōu)秀的高溫性能和耐久性，為將來在GE的GE9X乃至自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機應(yīng)用做了前期的準(zhǔn)備。

布局CMC產(chǎn)業(yè)鏈的GE

美國GE數(shù)十年來長期投入CMC研發(fā)，累計投入超過15億美元。其20世紀(jì)70年代就開始進行CMC應(yīng)用的相關(guān)研究。到1986年，GE獲得了使用陶瓷基復(fù)材制造大型燃?xì)廨啓C專利技術(shù)，并應(yīng)用于發(fā)電廠。2000以后，通過10年以上的努力，GE建立了美國第一個完全集成的CMC供應(yīng)鏈，其中包括在俄亥俄州，特拉華州，北卡羅來納州以及最近的2018年阿拉巴馬州工廠，由這四個相互關(guān)聯(lián)的GE生產(chǎn)基地的組成網(wǎng)絡(luò)。位于亨茨維爾的阿拉巴馬工廠是原由GE、賽峰和日本Nippon Carbon合資的SiC纖維工廠。該廠是以日本NGS 的SiC纖維工廠為范本的擴大產(chǎn)能版。

GE、賽峰與Nippon Carbon合資的NGS

位于日本富山的NGS公司成立于2012年，日本的NCK持股50%，GE與賽峰各25%。據(jù)信是目前世界上規(guī)模最大的生產(chǎn)CMC纖維的企業(yè)。

GE的CMC供應(yīng)鏈，圖片來自GE公開資料

控制整個供應(yīng)鏈意味著GE可以通過打磨制造過程來提高生產(chǎn)率并降低成本。

GE9X，圖片來自GE官網(wǎng)

根據(jù)GE公司的官方資料，創(chuàng)造了推力世界記錄的GE9X在燃燒室和高壓渦輪上使用了CMC材料。GE未來的自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機也將使用CMC材料零件。該發(fā)動機的噴氣發(fā)動機溫度將提升至新水平。預(yù)計發(fā)動機推力將增加25％，燃油效率將提高10％。

我國的CMC發(fā)展?fàn)顩r

我國從20世紀(jì)80年代開始，以張立同院士領(lǐng)導(dǎo)的西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)團隊為先驅(qū)，中航復(fù)材、航天材料及工藝研究所、國防科大、中科院硅酸鹽研究所等單位先后啟動了SiC纖維與SiC/SiC復(fù)材的相關(guān)研發(fā)工作，取得了卓有成效的成果；目前國內(nèi)已經(jīng)突破第二代SiC纖維和SiC/SiC復(fù)合材料研制關(guān)鍵技術(shù)，具備了構(gòu)件研制和小批量生產(chǎn)能力，并實現(xiàn)了三代產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。國內(nèi)正以產(chǎn)學(xué)研模式開展工藝的創(chuàng)新與技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，國防科技大學(xué)是中國最早進行碳化硅纖維研制的單位，目前已與蘇州賽菲、寧波眾興新材展開合作；此外，廈門大學(xué)已于2015 年3 月與火炬電子展開合作。