陶瓷基复合材料逐步成为航空发动机中的关键材料

2023-06-05 来源：无机非金属材料科学 浏览数：889

陶瓷基复合材料是未来航空发动机最有前景的材料之一，是提高航空发动机性能的关键材料。一般认为当发动机推得比达到或者超过15的时候，就需要采用陶瓷基复合材料这样的先进材料确保发动机性能达标。

 

 

      作为航天器“心脏”的发动机，在航空航天科技的发展过程中起着关键性作用。发动机是复杂而精密的高端战略装备，但是能同时满足耐高温、性能稳定、长寿命使用要求的材料体系非常有限。
     高科技陶瓷材料作为一种轻质、高性能的结构复合材料在高温领域应用广泛，优异的高温性能使其可替代高温合金材料成为在航天发动机上特别是在发动机核心机上使用的候选材料之一。

    现阶段，航天发动机燃烧室、涡轮等高温结构的材料仍以高温合金为主。经过40多年发展，以单晶合金为代表的金属材料耐温能力大幅提高，但仍与发动机燃烧温度相差较大，而且在新一代发动机中，差距逐渐增大。

俄罗斯：
     2016年俄罗斯中央巴拉诺夫航空发动机制造研究所成立了FPI实验室，该实验室成立的目的是应用陶瓷基复合材料和增材制造技术来进一步促进俄罗斯新一代航空发动机制造技术的发展。

      关于巴拉诺夫中央航空发动机研究所
     1、 巴拉诺夫中央航空发动机研究所主要从事航空发动机研究，是俄罗斯最大的航空研究机构之一，也是欧洲最大的航空发动机试验中心。
    2、能在接近真实飞行条件下对航空发动机及其部件、系统和构件进行试验研究。

     2019年，俄罗斯中央巴拉诺夫航空发动机制造研究所成功地对新一代转子活塞式航空发动机进行了一系列测试。发动机在主要工作模式下持续运行了4个小时，完成了试验大纲规定的主要检测项目。发动机的一些其他性能测试工作还将持续进行，包括将在中央巴拉诺夫航空发动机制造研究所试验台上进行的寿命试验和高原气候试验。

       该发动机的结构采用了具有较高机械-物理特性的新一代材料，即金属陶瓷基复合材料和集成陶瓷复合材料。该发动机还采用了最新研制的使用增压空气来冷却涡轮增压系统的新系统，该系统的部分元件使用俄罗斯本国原材料并采用3D技术打印生产。

       该发动机的电子操纵系统同样也是全新的设计。正是由于上述创新方案都非常成功，所以新型发动机的功率比俄罗斯以前研制的转子活塞式航空发动机的功率提高了一倍左右。

       2022年，据俄罗斯《消息报》网站18日报道，俄罗斯工程师在世界上首次开发出了用高科技陶瓷制造火箭发动机的技术。这种发动机比金属发动机更耐高温，因而效率更高。

       报道称，因为高科技陶瓷材料密度更低，这将使火箭能够在使用更少燃料的情况下将更多的货物送入轨道。开发人员认为，现在可以用陶瓷制造用于能源行业的各种热力机器的涡轮机。

        报道表示，工程师们学会了如何将陶瓷零部件拼接为一个整体。发动机的主要性能指标之一是所谓的有效效率。它显示了系统在能量转换方面的效率，有效效率越高，就意味着越节能。

       Ekipo公司负责开发陶瓷粘合技术的项目经理捷姆金说：“我们做了一个手掌大小的发动机样品。这东西看上去没有什么不寻常之处，但现在世界上还没有人能制造出这样的引擎。我们学会了如何拼接陶瓷，使接缝不明显，其强度完全不逊色于一体成型材料。”

       研发人员称，如果用陶瓷制造涡轮发动机，其效率将比合金发动机提高15%以上。

      测试表明，采用新技术制造的高科技陶瓷产品可以有效抵御液体火箭发动机中发生的所谓热冲击，也就是在一秒半的时间内从室温到近2000℃的温差。测试报告显示，发动机样品经受住了120多次这样的热冲击。

美国：

       美国GE公司在二十多年前就开始与NASA合作开发高速民用运输机用陶瓷基复合材料燃烧室内衬。GE公司非常重视对航空事业的研发，投入了巨额研发资金，陶瓷基复合材料正是GE航空部门最为依赖的技术之一。几年前，美国GE公司就开始在阿拉巴马州亨茨维尔市建设SiC纤维工厂，大幅提升美国耐2400°F（约1316℃）高温的SiC陶瓷纤维产能。而此前，SiC陶瓷纤维市场被日本公司牢牢占据。

       在美国能源部橡树岭国家实验室的领导下，美国展开了对陶瓷基复合材料的研发工作。CFM公司研发的LEAP航空发动机，成为第一个广泛应用的陶瓷基复合材料产品。

        F414的核心机设计来自通用电气的F412非加力涡扇发动机，而这种发动机是为麦道/通用动力A-12“复仇者II”舰载隐身攻击机研制的。“复仇者II”在1988年赢得了美国海军先进战术飞机（ATA）的竞标，通用电气为该机开始研制派生自F404的F412。
       目前在产F414的尾喷管二级封严片是用陶瓷基复合材料（CMC）制造的。根据通用电气的说法，F414先后采用过两种陶瓷基复合材料来制造二级封严片，首先是碳化硅/碳（SiC/C），也就是陶瓷级碳化硅纤维增强的碳基材；然后是氧化物/氧化物（Ox/Ox），也就是使用氧化铝-莫来石陶瓷纤维增强的氧化铝-氧化硅基材。2011年生产的F414开始安装Ox/Ox材料制造的封严片。

     ADVENT采用陶瓷基复合材料低压涡轮和高压涡轮前缘，AETD上陶瓷基复合材料的应用进一步扩大。据通用电气声称，陶瓷基复合材料涡轮叶片甚至可以不需要冷却，为大幅度提高发动机热工性能提供了空间。陶瓷基复合材料叶片也比镍基合金轻2/3。在ADVENT上，陶瓷基复合材料的高压涡轮前缘达到1648摄氏度。

 中国：

       2022年，西北工业大学研制的国产陶瓷基复合材料整体涡轮盘成功完成首次空中验证。这个试验表明国产陶瓷基复合材料在航空发动机之中的运用取得了突破性进展，为以后用陶瓷基复合材料制造航空发动机高温压气机打下了坚实的基础。目前试飞的是陶瓷基复合材料涡轮盘，它与涡轮叶片构成高温涡轮，而高温涡轮又是航空发动机核心机关键部件之一。现代航空发动机核心机主要包括高压压气机、燃烧室和高温涡轮，是发动机关键部件。一般认为航空发动机核心技术完成之后，1台航空发动机研制工作等于完成了80%。因此外界推测国产第6代战斗机发动机，也就是高推重比发动机已经进入关键部件研制阶段，预计2025年之后可以完成核心机，2030年进入整机研制阶段。第6代战斗机发动机取得的技术成果还可以用来改进和提高现有航空发动机，增强它们的性能。

       此外，我国的WS-15"峨眉" 涡扇发动机，装有先进的陶瓷基复合材料的尾喷管调节片；F119涡扇发动机采用了高温树脂基材料外涵机匣以及用陶瓷基复合材料或碳-碳材料的一些静止结构；M88涡扇发动机喷口调节片用碳化硅基陶瓷材料制造；F414涡轮发动机的尾喷管二级封严片是用陶瓷基复合材料（CMC）制造的。

      陶瓷基复合材料是未来航空发动机最有前景的材料之一，是提高航空发动机性能的关键材料。一般认为当发动机推得比达到或者超过15的时候，就需要采用陶瓷基复合材料这样的先进材料确保发动机性能达标。

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