航空方面，作為飛機“心臟”的航空發(fā)動機，其使用工況十分復(fù)雜，且對使用壽命的要求極高;與飛機比較，關(guān)鍵熱端部項材料的使用溫度更高，通常達到1000℃以上;與航天比較，材料的使用壽命需更長，一般要求達到3000h以上。因此，航空發(fā)動機的材料體系，需要能夠同時滿足高溫、長壽命的使用要求，是非常有限的。然而逐漸發(fā)展成熟的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CMC-SiC)正在成為一種理想的候選材料。
CMC-SiC復(fù)合材料在國外航空發(fā)動機中的應(yīng)用
CMC-SiC指碳化硅纖維增強碳化硅(SiC/SiC)和碳纖維增強碳化硅(C/SiC) 。CMC-SiC是一種輕質(zhì)、耐高溫、冷卻少甚至無需冷卻的新型復(fù)合材料，是目前國際公認的最具發(fā)展?jié)摿Φ陌l(fā)動機熱端部項材料之一，即保留了纖維耐高溫、高強、高模、耐腐蝕、抗蠕變、材料熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，同時又克服了陶瓷材料抗沖擊性能差、斷裂韌性低的缺陷。
目前，C/SiC和SiC/SiC材料己然引起美國、日本、德國、法國等航空發(fā)達國家的普遍關(guān)注，歷經(jīng)二十多年目前仍在繼續(xù)研究。在制備工藝方面，主要的制備工藝有熱壓燒結(jié)法(HPS),反應(yīng)燒結(jié)法(BB)、漿料浸滲/熱解法(SIFIP)、反應(yīng)熔體滲透法(RMD、先驅(qū)體浸漬熱解法(PIP)和化學(xué)氣相滲透法(CVI)以及PIP-HP法、CVI-RMI法和CVI-PIP法等。美國以CVI, PIP技術(shù)為主，制備水平較高;日本擁有世界領(lǐng)先的連續(xù)碳化硅纖維制備技術(shù)，制備碳化硅復(fù)相陶瓷以PIP法為主，SiC/SiC的研究制備水平較高;德國以RMI和PIP技術(shù)為主，RMI技術(shù)世界領(lǐng)先;法國的CVI技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位;我國以CVI, PIP, RMI技術(shù)為主，材料性能己達到國際領(lǐng)先水平。
在應(yīng)用方面，經(jīng)研究及考核結(jié)果表明，CMC-SiC可使中溫中等載荷靜止項(內(nèi)錐體、密封片/調(diào)節(jié)片等)減重50%以上，并顯著提高其使用壽命，總的來說，目前，中溫中等載荷靜止項(內(nèi)錐體、密封片/調(diào)節(jié)片等)己完成全壽命驗證并進入實際應(yīng)用和批量生產(chǎn)階段;高溫中等載荷靜止項(導(dǎo)向葉片、渦輪外環(huán)、火焰穩(wěn)定器、火焰筒等)正進行全壽命驗證，有望進入實際應(yīng)用階段;而高溫高載荷轉(zhuǎn)動項(渦輪葉片、轉(zhuǎn)子等)尚處于探索研究階段，使用壽命與應(yīng)用要求相距甚遠;而我國在應(yīng)用方面的研究尚處于起步階段，與發(fā)達國家差距較大。
在航天方面，隨著科技的發(fā)展，高超聲速飛行器飛行速度己經(jīng)達到5馬赫數(shù)以上，飛行器表面溫度會超過1000℃，傳統(tǒng)的熱防護材料己經(jīng)不能滿足需求，超高溫材料成為新的研究熱點。碳化物超高溫陶瓷具有熔點高及抗熱震穩(wěn)定性好等良好的化學(xué)與力學(xué)穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)超高音速長時飛行、大氣層再入、跨大氣層飛行與火箭推進系統(tǒng)等極端環(huán)境，可以被應(yīng)用于機翼前緣、鼻錐、發(fā)動機熱端等各種關(guān)鍵部項。作為應(yīng)用在航天飛行器上的重要材料，碳化物超高溫陶瓷材料得到各國的高度關(guān)注。
高超音速飛行器
目前常見的碳化物超高溫陶瓷主要有碳化鋯(ZrC),碳化鉭(TaC)和碳化鉿(HfC)，以及以其為基體的陶瓷基復(fù)合材料或復(fù)相材料。這三種物質(zhì)的熔點3000℃以上，具有優(yōu)良的熱化學(xué)穩(wěn)定性、物理性能，包括高彈性模量、高硬度、低飽和蒸汽壓、適中的熱膨脹率和良好抗熱震性能等，能在高溫下保持很高的強度。并且，以其作為高溫抗氧化燒蝕涂層技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也受到各個國家的普遍關(guān)注，它是一種外部涂層保護方法，保護原理是將制備各類涂層使材料與氧化燒蝕環(huán)境隔離開，阻止碳和氧發(fā)生反應(yīng)。如，SUN W等人在C/C復(fù)合材料表面采用化學(xué)氣相沉積法沉積ZrC陶瓷涂層，能夠有效阻止氧向C/C集體進一步擴散。
4米口徑高精度碳化硅非球面反射鏡
此外，由于CMC-SiC無法長期在1700℃以上的氧化環(huán)境中使用，因此可采用ZrC，TaC等超高溫陶瓷材料對其進行涂層改性或基體改性，以發(fā)展更加耐高溫、長壽命以及結(jié)構(gòu)功能一體化的新型超高溫材料。如今我國己然擁有CMC-SiC超高溫改性技術(shù)基礎(chǔ)。而SiC陶瓷材料是目前主要的航天反射鏡材料，廣泛應(yīng)用于航空、航天的掃描鏡、反射鏡、光學(xué)系統(tǒng)等。我國己開發(fā)出4米大口徑碳化硅反射鏡，但應(yīng)用最廣泛的仍是1.5米大口徑碳化硅反射鏡。
參考資料：《航空航天用碳化物先進陶瓷材料專利分析研究》
