未來航空發動機的渦輪前進口溫度將遠超出高溫合金材料的溫度使用極限，而陶瓷基復合材料（CMC）具(ju)有更好的(de)(de)(de)耐(nai)高溫性(xing)(xing)能，因(yin)此美國的(de)(de)(de)研(yan)究人(ren)員正在探索研(yan)究各種具(ju)有更高耐(nai)熱性(xing)(xing)和更強耐(nai)損傷(shang)性(xing)(xing)能的(de)(de)(de)CMC，有望為未來發(fa)動機的(de)(de)(de)發(fa)展帶(dai)來新的(de)(de)(de)契機，并(bing)全面革新發(fa)動機的(de)(de)(de)結構(gou)設(she)計和工作效率。

　　高溫材料對提升發動機性能至關重要。目前發動機熱端部件主要采用的是使用溫度約1100℃的鎳、鈷基高溫合金，開發使用溫度高于1100℃的新型高溫材料是業界的努力方向。陶瓷材料具有耐高溫、低密度、高比強、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優異性能，但由于陶瓷材料脆性大，導致材料結構可靠性差，限制了其在航空發動機及工業燃氣輪機等高溫結構部件上的應用。

　　而陶瓷基復合材料（CMC）重量輕、強度高、耐高溫，是發動機高溫部件的理想材料。CMC與高溫合金相比，CMC具有如下優點：重量更輕，CMC部件重量僅為鎳基高溫合金部件的1/3；更耐高溫，CMC材料應用溫度比鎳基高溫合金高260℃；更高效，部件可承受更高的溫度意味著需要更少的冷卻氣體，可將更多的空氣用于燃燒室中燃燒從而發動機具有更大的推力；更節能，可使發動機循環溫度更高、燃料燃燒更充分，相應地可減少燃料消耗和氮氧化物排放。

GE公司自適應通用發動機技術(ADVENT)發動機驗證機采用CMC材料制造的低壓渦輪.

　　經過30多年的發展，CMC渦輪噴嘴和渦輪罩環等靜子部件已經在商用發動機上有所應用； CMC動部件低壓渦輪葉片也通過了地面試驗，下一代商用發動機上CMC將實現靜子部件和動部件的聯合應用。隨著發動機對CMC需求的加大，美國正著力解決CMC耐損傷容限不足和耐溫不足的問題，如通過改進陶瓷基先驅體和采用納米纖維等方式，開發更耐高溫和具有更高損傷容限的CMC。

CMC對于該圖所示的各種航空發動機零部件都是不錯選擇。

　　連續纖維增強的CMC是指以連續纖維作為增強體，以陶瓷材料作為基體，制成的一種復合材料。由于采用了連續纖維增強增韌，所以陶瓷基體材料克服了其脆性，保留了其優異的耐高溫性能，具有替代高溫合金且成為新一代發動機高溫結構材料的潛力。

　　陶瓷基復合材料的發展現狀和水平

　　CMC中研究最為廣泛的是以碳化硅（SiC）為(wei)基(ji)(ji)體的陶(tao)瓷基(ji)(ji)復合材料，主要(yao)是因為(wei)相較于其他基(ji)(ji)體材料，碳(tan)(tan)化硅(gui)材料具有更好的耐高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)性能，可承受(shou)1316℃以上的高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)。碳(tan)(tan)化硅(gui)基(ji)(ji)CMC主要(yao)有碳(tan)(tan)纖(xian)維增強碳(tan)(tan)化硅(gui)（C/SiC）和碳(tan)(tan)化硅(gui)纖(xian)維增強碳(tan)(tan)化硅(gui)（SiC/SiC）兩種。C/SiC的最(zui)高(gao)(gao)(gao)使用(yong)溫(wen)(wen)度(du)可達2000℃，SiC/SiC的最(zui)高(gao)(gao)(gao)使用(yong)溫(wen)(wen)度(du)為(wei)1600℃。由(you)于C/SiC抗氧化性能較SiC/SiC差，在高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)下只能短時間(jian)使用(yong)，因此國內外普遍認為(wei)航空(kong)發動機熱(re)端(duan)部件最(zui)終獲得應用(yong)的是SiC/SiC。

　　西方發達國家在SiC/SiC發動機高溫結構件的研究起步較早，積累了大量的研究成果,部分已達到實用水平。20世紀90年代，美國NASA通過使能推進材料（EPM）項目的研究成果將SiC/SiC確定為民用飛機的最佳材料體系。據GE公司統計，在噴氣發動機的歷史里，發動機渦輪材料的耐受溫度平均每10年增加10℃；然而隨著陶瓷基復合材料的引入，僅在最近10年里，發動機渦輪材料的耐受溫度提高了66℃。

GE公司自適應通用發動機技術(ADVENT)發動機驗證機采用CMC材料制造的低壓渦輪.

　　CMC首先在發動機熱端靜子部件獲商業應用

　　20世紀90年(nian)代(dai)中(zhong)期，斯奈克瑪公司與普(pu)惠公司在F100發(fa)動機的噴(pen)管部件上開展了連(lian)續纖維增(zeng)強CMC的工程化研(yan)究應(ying)用(yong)(yong)，重點進(jin)行了模擬飛(fei)機發(fa)動機使用(yong)(yong)環境下的強度(du)壽(shou)命考(kao)核(he)試驗驗證，并(bing)在F-15E戰斗機和F-16戰斗機的F100-PW-229發(fa)動機上進(jin)行飛(fei)行試驗，考(kao)察(cha)了連(lian)續纖維增(zeng)強陶瓷基復(fu)合(he)材料在發(fa)動機全壽(shou)命試驗下的使用(yong)(yong)可(ke)(ke)靠性和可(ke)(ke)維護性。

　　目前，SiC/SiC的CMC已經在CFM國際公司的LEAP發動機熱端靜子部件上實現了工程化應用，并完成了首飛。LEAP發動機的一級、二級高壓渦輪噴嘴和一級高壓渦輪罩環均使用了CMC，使得LEAP發動機的高壓渦輪的效率和耐久性大幅提高，發動機重量減輕了數百千克，節重放大效應遠遠超過3:1。此外，LEAP發動機的低壓渦輪導向器葉片采用SiC/SiCCMC，可耐1200℃以上的高溫，并且不需要冷卻，易于加工。

　　CMC熱端旋轉部件也完成了地面試驗

　　發動機原始設備制造商認為CMC最(zui)大的(de)應(ying)用應(ying)該是(shi)在轉子(zi)部(bu)件(jian)(jian)(jian)上，而CMC材料從靜子(zi)件(jian)(jian)(jian)向(xiang)轉子(zi)件(jian)(jian)(jian)過(guo)渡的(de)一個關(guan)鍵挑戰是(shi)必須(xu)適應(ying)轉子(zi)部(bu)件(jian)(jian)(jian)的(de)內部(bu)應(ying)力。2015年2月，GE公司通過(guo)F414渦(wo)扇發動機驗證機成功驗證了CMC低壓渦(wo)輪葉片(pian)，這也是(shi)世界上首個非靜子(zi)組件(jian)(jian)(jian)的(de)輕質CMC部(bu)件(jian)(jian)(jian)。

　　GE公司SiC/SiC低壓渦輪葉片重量將僅為金屬葉片重量的1/3，且第二級CMC葉片不必空氣冷卻，氣動效率更高。此外，由于CMC葉片更輕，因此可以減小連接CMC葉片的金屬葉盤的尺寸和重量，且更輕的葉片導致更小的離心載荷，意味著輪盤、軸承和其他部件能夠更輕薄。F414發動機的CMC部件試驗經歷了500個嚴酷的循環，驗證了輕質、耐高溫CMC材料制造的渦輪葉片極強的耐高溫和耐久性能力，因此該材料將廣泛用于GE公司自適應循環戰斗發動機和下一代商用發動機。之后，該驗證機還將進一步設計并用于驗證GE公司當前與美國空軍研究實驗室合作開展的下一代自適應發動機技術驗證機（AETD）項目在高應力工況下的耐高溫性能。

　　在商用發動機領域，GE公司正在研發的用于波音777X寬體客機的GE9X發動機，將含有5個不同類型的SiC/SiC CMC零件：燃燒室內/外襯、一級高壓渦輪罩環、一級噴嘴、二級噴嘴以及低壓渦輪轉子葉片。與LEAP僅在一級高壓渦輪罩環上使用CMC相比，燃燒室和渦輪葉片應用CMC材料是GE9X的一個重大技術突破，GE公司估計GE9X發動機采用陶瓷基復合材料渦輪轉子葉片后總重將降低約455kg，相當于GE90-115發動機凈重的6%。GE9X發動機的推力級別將達到450kN級，燃油效率較目前的GE90-115B將提高10%。

　　GE公司建成大規模CMC部件生產設施

　　GE公司預測(ce)，未來10年(nian)發(fa)動機中CMC的用量(liang)將增加10倍。為實(shi)現該(gai)目標，GE公司除了(le)在(zai)紐約設(she)立的全球研發(fa)中心以(yi)外，還完成了(le)垂直一(yi)體化CMC供應(ying)鏈(lian)的4個生(sheng)產(chan)設(she)施(shi)，即(ji)GE航空(kong)集團總(zong)部(bu)負(fu)責CMC產(chan)品(pin)設(she)計的CMC實(shi)驗室(shi)；CMC原材(cai)料(liao)(liao)及(ji)部(bu)件(jian)的小(xiao)批量(liang)生(sheng)產(chan)廠(chang)；CMC部(bu)件(jian)大(da)批量(liang)生(sheng)產(chan)廠(chang)，生(sheng)產(chan)包括(kuo)LEAP所使(shi)(shi)用的SiC/SiC渦輪(lun)罩環等部(bu)件(jian)，其目標是(shi)在(zai)2020年(nian)實(shi)現年(nian)產(chan)能超過36000個罩環；以(yi)及(ji)CMC大(da)批量(liang)原材(cai)料(liao)(liao)生(sheng)產(chan)設(she)施(shi)，該(gai)設(she)施(shi)包括(kuo)兩間工廠(chang)，分別批量(liang)生(sheng)產(chan)碳化硅(gui)陶瓷纖(xian)維和使(shi)(shi)用碳化硅(gui)纖(xian)維生(sheng)產(chan)單向預浸料(liao)(liao)。

　　碳化硅陶瓷纖維工廠將是美國國內首家規模量產該材料的工廠，此前全球范圍內僅在日本有一家隸屬于NGS先進纖維公司的碳化硅陶瓷纖維量產工廠，正是該工廠一直為GE提供CMC部件所需的碳化硅纖維原材料，其中NGS是日本碳素株式會社（50%股權）、GE（25%股權）和法國賽峰集團（25%股權）于2012年共同出資建立的合資公司。在工藝技術方面，GE的碳化硅纖維工廠主要來自NGS公司的授權；資金方面則來源于美國空軍實驗室的資助（2190萬美元）和GE自籌的資金。碳化硅纖維工廠竣工投產后，美國國防部、GE航空、賽峰集團將成為其主要客戶。單向預浸料工廠的資金由GE公司單獨承擔，產品將供給CMC工廠生產零件，完工的零件運送到先進陶瓷涂層公司（ACC）進行表面處理，將陶瓷環境障涂層（EBC）應用在SiC/SiC組件表面，從而保護組件免受侵蝕。

　　美國下一代陶瓷基復合材料的技術攻關方向

　　美國下一(yi)代CMC用(yong)在發動機(ji)熱端部件時面臨兩項挑戰(zhan)：一(yi)是(shi)材(cai)料(liao)韌性(xing)不足，難以滿足疲勞性(xing)能需求(qiu)；二(er)是(shi)材(cai)料(liao)制備工藝復雜、成(cheng)本高(gao)等(deng)問題(ti)。目前(qian)的應對(dui)措施(shi)之(zhi)一(yi)是(shi)開發不同(tong)于GE所用(yong)的熔(rong)融滲透(tou)制備工藝，因為老(lao)工藝下硅揮發過多，導致基體中形成(cheng)裂縫(feng)，造(zao)成(cheng)材(cai)料(liao)脆(cui)性(xing)大、韌性(xing)不足。措施(shi)之(zhi)二(er)是(shi)，改進(jin)材(cai)料(liao)成(cheng)分，改變(bian)含(han)硅材(cai)料(liao)在高(gao)溫(wen)下會與(yu)水蒸氣(qi)反應、造(zao)成(cheng)成(cheng)分損(sun)失的問題(ti)，從而減(jian)少對(dui)多層(ceng)環境障涂層(ceng)的依(yi)賴，達(da)到降成(cheng)本的目的。

　　新專利水樣聚合物具有更高溫穩定性

　　美國堪薩(sa)斯(si)州立大學的研(yan)究人員開(kai)發出一種水樣聚合(he)物（具(ju)有與水類似(si)的密度和(he)(he)黏度），可加工(gong)成1700℃的陶瓷材料，質量密度比(bi)其他超高溫(wen)陶瓷（如硼(peng)化鋯和(he)(he)碳(tan)(tan)化鉿等）低3～6倍。這種聚合(he)物由硅、硼(peng)、碳(tan)(tan)、氮和(he)(he)氫5種成分組成，比(bi)其他的SiBNC聚合(he)物具(ju)有更長的保質期，其生成的陶瓷具(ju)有隨機微觀(guan)結(jie)(jie)構(gou)，這種結(jie)(jie)構(gou)在(zai)傳(chuan)統陶瓷材料中一般觀(guan)察不到：硅原子(zi)與氮和(he)(he)碳(tan)(tan)連(lian)接而不是與硼(peng)連(lian)接；碳(tan)(tan)原子(zi)與另一個碳(tan)(tan)連(lian)接形成類石墨烯的鏈狀結(jie)(jie)構(gou)。這種獨特的結(jie)(jie)構(gou)可以延遲與氧氣的反應，從而使得材料在(zai)高溫(wen)下具(ju)有較高的穩定性。

　　這種水樣聚合物也可以用于制造陶瓷纖維。當加熱到50℃～100℃，該聚合物成為一種糖漿樣凝膠，可以拉絲制成陶瓷織物或網。它也可以注入模具，加熱成形，制成高精度、復雜形狀陶瓷部件。其他靈活的加工方式包括用于高溫防護的可噴涂涂層以及3D打印。這種聚合物與碳納米管相結合，由此產生的黑色物質能吸收所有的波段光而不發生反射損失，甚至包括紫外線和紅外線等波段，能耐受功率密度達15000W/cm2的高溫能量場。

　　SiC須狀纖維可有效增強復合材料韌性

　　針對火箭發動機中的CMC零件必須承受1600℃的溫度，且在氧氣中容易產生裂紋及變脆的問題，美國賴斯大學與NASA合作，探索碳納米管如何改善碳化硅基CMC的耐損傷性能。其中，賴斯大學將碳納米管和碳納米線嵌入到NASA提供的碳化硅纖維表面，形成了一個納米級的“維可牢”（Velcro）,纖維暴露在外的部分卷曲，像鉤子和環一樣，在纖維纏繞的位置產生了很強的內鎖連接力，這不僅使得復合材料不易開裂，同時也將復合材料密封起來防止氧氣改變纖維的化學成分。

　　其(qi)具體(ti)的(de)(de)工藝(yi)流(liu)程包(bao)括3步：研究人員先將碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅纖維浸沒在鐵催(cui)化(hua)(hua)劑中，以生(sheng)成連接碳(tan)(tan)納(na)米(mi)(mi)管的(de)(de)化(hua)(hua)學鍵(jian)；然后使用水輔助化(hua)(hua)學氣相沉(chen)積(CVD)直接將碳(tan)(tan)納(na)米(mi)(mi)管嵌(qian)入到纖維表面；隨后加熱至高(gao)(gao)(gao)溫，將碳(tan)(tan)納(na)米(mi)(mi)管轉化(hua)(hua)為(wei)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅纖維的(de)(de)晶須。測試結果表明，生(sheng)長碳(tan)(tan)納(na)米(mi)(mi)管的(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅比無(wu)碳(tan)(tan)納(na)米(mi)(mi)管的(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅纖維更耐(nai)高(gao)(gao)(gao)溫，且很容易做到耐(nai)受1000℃的(de)(de)高(gao)(gao)(gao)溫。在高(gao)(gao)(gao)壓力狀(zhuang)態下，生(sheng)長碳(tan)(tan)納(na)米(mi)(mi)管的(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅可以輕松(song)地在納(na)米(mi)(mi)壓頭下反彈，極(ji)大地增(zeng)加了其(qi)抗裂韌性。（胡燕萍，中國航空工業發展(zhan)研究中心）