陶瓷基復合材料逐步成為航空發(fā)動機中的關鍵材料

2023-06-05 來源：無機非金屬材料科學 瀏覽數(shù)：912

陶瓷基復合材料是未來航空發(fā)動機最有前景的材料之一，是提高航空發(fā)動機性能的關鍵材料。一般認為當發(fā)動機推得比達到或者超過15的時候，就需要采用陶瓷基復合材料這樣的先進材料確保發(fā)動機性能達標。

 

 

      作為航天器“心臟”的發(fā)動機，在航空航天科技的發(fā)展過程中起著關鍵性作用。發(fā)動機是復雜而精密的高端戰(zhàn)略裝備，但是能同時滿足耐高溫、性能穩(wěn)定、長壽命使用要求的材料體系非常有限。
     高科技陶瓷材料作為一種輕質、高性能的結構復合材料在高溫領域應用廣泛，優(yōu)異的高溫性能使其可替代高溫合金材料成為在航天發(fā)動機上特別是在發(fā)動機核心機上使用的候選材料之一。

    現(xiàn)階段，航天發(fā)動機燃燒室、渦輪等高溫結構的材料仍以高溫合金為主。經過40多年發(fā)展，以單晶合金為代表的金屬材料耐溫能力大幅提高，但仍與發(fā)動機燃燒溫度相差較大，而且在新一代發(fā)動機中，差距逐漸增大。

俄羅斯：
     2016年俄羅斯中央巴拉諾夫航空發(fā)動機制造研究所成立了FPI實驗室，該實驗室成立的目的是應用陶瓷基復合材料和增材制造技術來進一步促進俄羅斯新一代航空發(fā)動機制造技術的發(fā)展。

      關于巴拉諾夫中央航空發(fā)動機研究所
     1、 巴拉諾夫中央航空發(fā)動機研究所主要從事航空發(fā)動機研究，是俄羅斯最大的航空研究機構之一，也是歐洲最大的航空發(fā)動機試驗中心。
    2、能在接近真實飛行條件下對航空發(fā)動機及其部件、系統(tǒng)和構件進行試驗研究。

     2019年，俄羅斯中央巴拉諾夫航空發(fā)動機制造研究所成功地對新一代轉子活塞式航空發(fā)動機進行了一系列測試。發(fā)動機在主要工作模式下持續(xù)運行了4個小時，完成了試驗大綱規(guī)定的主要檢測項目。發(fā)動機的一些其他性能測試工作還將持續(xù)進行，包括將在中央巴拉諾夫航空發(fā)動機制造研究所試驗臺上進行的壽命試驗和高原氣候試驗。

       該發(fā)動機的結構采用了具有較高機械-物理特性的新一代材料，即金屬陶瓷基復合材料和集成陶瓷復合材料。該發(fā)動機還采用了最新研制的使用增壓空氣來冷卻渦輪增壓系統(tǒng)的新系統(tǒng)，該系統(tǒng)的部分元件使用俄羅斯本國原材料并采用3D技術打印生產。

       該發(fā)動機的電子操縱系統(tǒng)同樣也是全新的設計。正是由于上述創(chuàng)新方案都非常成功，所以新型發(fā)動機的功率比俄羅斯以前研制的轉子活塞式航空發(fā)動機的功率提高了一倍左右。

       2022年，據(jù)俄羅斯《消息報》網站18日報道，俄羅斯工程師在世界上首次開發(fā)出了用高科技陶瓷制造火箭發(fā)動機的技術。這種發(fā)動機比金屬發(fā)動機更耐高溫，因而效率更高。

       報道稱，因為高科技陶瓷材料密度更低，這將使火箭能夠在使用更少燃料的情況下將更多的貨物送入軌道。開發(fā)人員認為，現(xiàn)在可以用陶瓷制造用于能源行業(yè)的各種熱力機器的渦輪機。

        報道表示，工程師們學會了如何將陶瓷零部件拼接為一個整體。發(fā)動機的主要性能指標之一是所謂的有效效率。它顯示了系統(tǒng)在能量轉換方面的效率，有效效率越高，就意味著越節(jié)能。

       Ekipo公司負責開發(fā)陶瓷粘合技術的項目經理捷姆金說：“我們做了一個手掌大小的發(fā)動機樣品。這東西看上去沒有什么不尋常之處，但現(xiàn)在世界上還沒有人能制造出這樣的引擎。我們學會了如何拼接陶瓷，使接縫不明顯，其強度完全不遜色于一體成型材料。”

       研發(fā)人員稱，如果用陶瓷制造渦輪發(fā)動機，其效率將比合金發(fā)動機提高15%以上。

      測試表明，采用新技術制造的高科技陶瓷產品可以有效抵御液體火箭發(fā)動機中發(fā)生的所謂熱沖擊，也就是在一秒半的時間內從室溫到近2000℃的溫差。測試報告顯示，發(fā)動機樣品經受住了120多次這樣的熱沖擊。

美國：

       美國GE公司在二十多年前就開始與NASA合作開發(fā)高速民用運輸機用陶瓷基復合材料燃燒室內襯。GE公司非常重視對航空事業(yè)的研發(fā)，投入了巨額研發(fā)資金，陶瓷基復合材料正是GE航空部門最為依賴的技術之一。幾年前，美國GE公司就開始在阿拉巴馬州亨茨維爾市建設SiC纖維工廠，大幅提升美國耐2400°F（約1316℃）高溫的SiC陶瓷纖維產能。而此前，SiC陶瓷纖維市場被日本公司牢牢占據(jù)。

       在美國能源部橡樹嶺國家實驗室的領導下，美國展開了對陶瓷基復合材料的研發(fā)工作。CFM公司研發(fā)的LEAP航空發(fā)動機，成為第一個廣泛應用的陶瓷基復合材料產品。

        F414的核心機設計來自通用電氣的F412非加力渦扇發(fā)動機，而這種發(fā)動機是為麥道/通用動力A-12“復仇者II”艦載隱身攻擊機研制的。“復仇者II”在1988年贏得了美國海軍先進戰(zhàn)術飛機（ATA）的競標，通用電氣為該機開始研制派生自F404的F412。
       目前在產F414的尾噴管二級封嚴片是用陶瓷基復合材料（CMC）制造的。根據(jù)通用電氣的說法，F(xiàn)414先后采用過兩種陶瓷基復合材料來制造二級封嚴片，首先是碳化硅/碳（SiC/C），也就是陶瓷級碳化硅纖維增強的碳基材；然后是氧化物/氧化物（Ox/Ox），也就是使用氧化鋁-莫來石陶瓷纖維增強的氧化鋁-氧化硅基材。2011年生產的F414開始安裝Ox/Ox材料制造的封嚴片。

     ADVENT采用陶瓷基復合材料低壓渦輪和高壓渦輪前緣，AETD上陶瓷基復合材料的應用進一步擴大。據(jù)通用電氣聲稱，陶瓷基復合材料渦輪葉片甚至可以不需要冷卻，為大幅度提高發(fā)動機熱工性能提供了空間。陶瓷基復合材料葉片也比鎳基合金輕2/3。在ADVENT上，陶瓷基復合材料的高壓渦輪前緣達到1648攝氏度。

 中國：

       2022年，西北工業(yè)大學研制的國產陶瓷基復合材料整體渦輪盤成功完成首次空中驗證。這個試驗表明國產陶瓷基復合材料在航空發(fā)動機之中的運用取得了突破性進展，為以后用陶瓷基復合材料制造航空發(fā)動機高溫壓氣機打下了堅實的基礎。目前試飛的是陶瓷基復合材料渦輪盤，它與渦輪葉片構成高溫渦輪，而高溫渦輪又是航空發(fā)動機核心機關鍵部件之一。現(xiàn)代航空發(fā)動機核心機主要包括高壓壓氣機、燃燒室和高溫渦輪，是發(fā)動機關鍵部件。一般認為航空發(fā)動機核心技術完成之后，1臺航空發(fā)動機研制工作等于完成了80%。因此外界推測國產第6代戰(zhàn)斗機發(fā)動機，也就是高推重比發(fā)動機已經進入關鍵部件研制階段，預計2025年之后可以完成核心機，2030年進入整機研制階段。第6代戰(zhàn)斗機發(fā)動機取得的技術成果還可以用來改進和提高現(xiàn)有航空發(fā)動機，增強它們的性能。

       此外，我國的WS-15"峨眉" 渦扇發(fā)動機，裝有先進的陶瓷基復合材料的尾噴管調節(jié)片；F119渦扇發(fā)動機采用了高溫樹脂基材料外涵機匣以及用陶瓷基復合材料或碳-碳材料的一些靜止結構；M88渦扇發(fā)動機噴口調節(jié)片用碳化硅基陶瓷材料制造；F414渦輪發(fā)動機的尾噴管二級封嚴片是用陶瓷基復合材料（CMC）制造的。

      陶瓷基復合材料是未來航空發(fā)動機最有前景的材料之一，是提高航空發(fā)動機性能的關鍵材料。一般認為當發(fā)動機推得比達到或者超過15的時候，就需要采用陶瓷基復合材料這樣的先進材料確保發(fā)動機性能達標。

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