前沿 | 浅谈陶瓷基复合质料(CMC)

陶瓷基复合质料(CMC)的界说

复合质料可凭证基材的差异分为三类：聚合物基复合质料(Polymer Matrix Composite,PMC)，金属基复合质料(Metal?Matrix?Composite,?MMC)与本篇主要先容的陶瓷基复合质料(Ceramic Matrix Composite,CMC)。其中，PMC的应用在航空航天中占有主导职位，以至于现在人们提起复合质料，就会遐想到热固性塑料和CFRP（碳纤维强化聚合物基复材）等名词。

复材分类由航空工业网整理

陶瓷基复合质料（CMC）是以陶瓷为基材复合质料，是近十余年才开shi较大规模使用的新质料。陶瓷是人类使用历史最悠久的质料之一，有诸多优良的特征，例如高强度，耐高温，重量轻等。但由于其韧性差，传统工业上，陶瓷仅有制造切削工具等为数不多的应用。而开发陶瓷基复合质料CMC就是为了战胜传统陶瓷的疲劳特征和韧性问题，同时仍然使用陶瓷基体的固有的高强度和耐高温性能。

2001款911RS2首ci应用了C/SiC刹车盘

工业上使用的CMC大致分为非氧化物型和氧化物型。在非氧化型中，主要有用于高级跑车等的刹车、离合器等的碳纤维zeng强SiC基复合质料(C/ SiC)和用于飞机发念头等的是SiC纤维zeng强SiC基材复合质料(SiC/SiC)。

喷气式发念头高温质料的历史，从20世纪40年月铸造合金的使用开shi，耐高温性能逐渐提高，但自20世纪90年月以来已靠近金属质料的理论极限，只能到达约1150°C。

涡轮入口温度(TIT)的提高

SiC/SiC陶瓷基复合质料，将长多股SiC纤维与SiC陶瓷复合在一起，能显著提高陶瓷质料性能：即保留了SiC陶瓷耐高温、高强度、抗氧化、耐侵蚀、耐攻击的优点，同时兼具SiC纤维zeng强zeng韧作用，战胜了SiC陶瓷断裂韧性低和抗外部攻击载荷性能差的先天缺陷。

涡轮叶片典型工况下SiC/SiC优势重大(图片来自IHI)

在航空喷气发念头中使用的SiC纤维的CMC复材(SiC/SiC)具有遭受1200℃甚至1400℃的高温性能，主要用于发念头燃烧室内衬、喷口导流叶片、机翼前缘、涡轮叶片和涡轮罩环等部位，是现在关乎到发念头性能的先进战略级质料。现在主要面临问题是怎样降低成本和建设性能检测手艺等问题。

在氧化物类(OX/ OX)中，有莫来石纤维zeng强的氧化铝基质复合质料和氧化铝纤维zeng强的氧化铝基质复合质料等，使用温度约为1000℃。一ban来说，性能比不上非氧化型CMC。

远景灼烁的SiC纤维

日本由于矿产资源匮乏，新型复合质料的研发一直作为国家战略。坐落于仙台的东北大学（鲁迅曾就读其医学部）在质料科学方面处在领先职位。SiC纤维就是于1975年在日本东北大学降生的一种新手艺。研究效果的乐成转化使日本公司在全球获得了大部门SiC纤维的市chang份额。

SiC纤维由聚碳硅烷制备，来自NGS

工业化生产SiC纤维，主要是用东北大学发现的先驱体转化法。先生产聚碳硅烷并熔纺成一连聚碳硅烷纤维，再经由空气中约200 ℃氧化交联获得不熔化聚碳硅烷纤维，最后在高纯氮气掩护下1000℃以上裂解获得SiC纤维。

三代SiC纤维性能秠uan

典型的SiC纤维产物是日本Nippon Carbon公司的Nicalon和宇部兴产公司的Tyranno纤维。现在已生长到第三代。

碳纤维与SiC的2018年市chang份额，图片来自NGS

现在，SiC纤维产量仅为碳纤维产量的万分之一，市chang远景优异。主要问题是工艺性的提高和成本降低上。

SiC纤维接纳化学气相沉积（CVD)要领制备涂层，与基质团结形成预浸料。

预浸料铺贴后经由压实、机械加工并通过磨练后成为CMC零件。

CMC质料在航空领域的应用案例

CMC作为热防护系统的例子，图片来自NASA

CMC最早用于航天飞机等的热防护系统。例如CMC质料（C/C结构）制成的隔热瓦能很好的解决航天飞机再ci进入大气层时舱体因与空气摩擦而温渡过高的问题。

NASA的X-33在气动加热效应显着的机头和机翼前缘使用了C/C复合质料。新一代的高明声速飞机，CMC也是必不行少。

近年来，高性能的CMC(SiC/SiC)逐渐被用于发念头的静止零件。如尾喷管、护罩等。由于高昂的成本，CMC零件首先被用于军用发念头。赛峰发念头（包罗原Snecma）在80年月就在M88发念头尾喷管上应用了CMC。普惠的F119与GE航空的F414均使用了CMC做尾喷管等部位的零件。罗罗也有将CMC用于发念头零件的实验性实验。另凭证果真报道，我国的WS-15也使用了CMC质料的尾喷管调治片。

LEAP使用CMC质料制造涡轮护罩，图片来自CFM

CFM公司的LEAP发念头是第一款接纳CMC组件的商用喷气发念头。LEAP发念头接纳18个牢靠式CMC涡轮罩环。因使用CMC质料，仅需要较少的空气从流动路径中转向以冷却热区部件，通过保持更多的空气发生推力而不是冷却部件，发念头有更大的推力下的同时拥有更高的效率。?凭证最近外洋研究，到2026年，CMC市chang预计将到达75亿美元，主要受核工业、航空航天业需求以及国防工业应用的推动。

F414上测试的低压涡轮叶片，图片来自GE

CMC作为运动零件，现在尚无大规模航空应用。2015年2月，GE在F414上曾经完成了CMC低压涡轮零件的500个循环的测试。验证了由轻质耐热CMC制成的涡轮叶片优异的高温性能和耐久性，为未来在GE的GE9X以致自顺应循环发念头应用做了前期的准备。

结构CMC来利国际w66的GE

美国GE数十年来恒久投入CMC研发，累计投入凌驾15亿美元。其20世纪70年月就开shi举行CMC应用的相关研究。到1986年，GE获得了使用陶瓷基复材制造大型燃气轮机专利手艺，并应用于发电厂。2000以后，通过10年以上的起劲，GE建设了美国第一个完全集成的CMC供应链，其中包罗在俄亥俄州，特拉华州，北卡罗来纳州以及最近的2018年阿拉巴马州工厂，由这四个相互关联的GE生产基地的组成网络。位于亨茨维尔的阿拉巴马工厂是原由GE、赛峰和日本Nippon Carbon合资的SiC纤维工厂。gai厂是以日本NGS 的SiC纤维工厂为范本的扩大产能版。

GE、赛峰与Nippon Carbon合资的NGS

位于日本富山的NGS公司建设于2012年，日本的NCK持股50%，GE与赛峰各25%。据信是现在天下上规模最大的生产CMC纤维的企业。

GE的CMC供应链，图片来自GE果真资料

控制整个供应链意味着GE可以通过打磨制造历程来提高生产率并降低成本。

GE9X，图片来自GE官网

凭证GE公司的官方资料，缔造了推力天下纪录的GE9X在燃烧室和高压涡轮上使用了CMC质料。GE未来的自顺应循环发念头也将使用CMC质料零件。gai发念头的喷气发念头温度将提升至新水平。预计发念头推力将zeng加25％，燃油效率将提高10％。

我国的CMC生长状态

我国从20世纪80年月开shi，以张立同院士向导的西北工业大学研发团队为先驱，中航复材、航天质料及工艺研究所、国防科大、中科院硅酸盐研究所等单元先后启动了SiC纤维与SiC/SiC复材的相关研发事情，取得了卓有成效的效果；现在海内已经突破第二代SiC纤维和SiC/SiC复合质料研制关jian手艺，具备了构件研制和小批量生产能力，并实现了三代产物的工业化。海内正以产学研模式开展工艺的创新与手艺的工业化，国防科技大学是中国最早举行碳化硅纤维研制的单元，现在已与苏州赛菲、宁波众兴新材睁开相助；此外，厦门大学已于2015 年3 月与火炬电子睁开相助。

宁波日报关于SiC纤维生产线的相关报道

据报道，苏州赛力菲陶纤有限公司是我国首家乐成实现一连SiC纤维工业化生产的企业。2017年年底，宁波众兴新质料有限公司建设了海内首条10吨级第二代一连碳化硅纤维量发生产线。

CMC质量轻，耐高温，对航空发念头与高明声速航行器的研发有关jian作用。

作为一种高科技新质料，CMC质料在资源市chang也广受关注。信托“两机”专项的牵引下和社会资源的一连投入下，我国CMC的工业水平将会一直提高。