未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前進(jìn)口溫度將遠(yuǎn)超出高溫合金材料的溫度使用極限，而陶瓷基復(fù)合材料（CMC）具有更好的耐高溫性能，因此美國(guó)的研究人員正在探索研究各種具有更高耐熱性和更強(qiáng)耐損傷性能的CMC，有望為未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展帶來(lái)新的契機(jī)，并全面革新發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作效率。

高溫材料對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能至關(guān)重要。目前發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)使用溫度高于1100℃的新型高溫材料是業(yè)界的努力方向。陶瓷材料具有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)異性能，但由于陶瓷材料脆性大，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)可靠性差，限制了其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)等高溫結(jié)構(gòu)部件上的應(yīng)用。

而陶瓷基復(fù)合材料（CMC）重量輕、強(qiáng)度高、耐高溫，是發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的理想材料。CMC與高溫合金相比，CMC具有如下優(yōu)點(diǎn)：重量更輕，CMC部件重量?jī)H為鎳基高溫合金部件的1/3；更耐高溫，CMC材料應(yīng)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(fā)動(dòng)機(jī)具有更大的推力；更節(jié)能，可使發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)溫度更高、燃料燃燒更充分，相應(yīng)地可減少燃料消耗和氮氧化物排放。

經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，CMC渦輪噴嘴和渦輪罩環(huán)等靜子部件已經(jīng)在商用發(fā)動(dòng)機(jī)上有所應(yīng)用； CMC動(dòng)部件低壓渦輪葉片也通過(guò)了地面試驗(yàn)，下一代商用發(fā)動(dòng)機(jī)上CMC將實(shí)現(xiàn)靜子部件和動(dòng)部件的聯(lián)合應(yīng)用。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)CMC需求的加大，美國(guó)正著力解決CMC耐損傷容限不足和耐溫不足的問題，如通過(guò)改進(jìn)陶瓷基先驅(qū)體和采用納米纖維等方式，開發(fā)更耐高溫和具有更高損傷容限的CMC。

連續(xù)纖維增強(qiáng)的CMC是指以連續(xù)纖維作為增強(qiáng)體，以陶瓷材料作為基體，制成的一種復(fù)合材料。由于采用了連續(xù)纖維增強(qiáng)增韌，所以陶瓷基體材料克服了其脆性，保留了其優(yōu)異的耐高溫性能，具有替代高溫合金且成為新一代發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)材料的潛力。

陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀和水平

CMC中研究*為廣泛的是以碳化硅（SiC）為基體的陶瓷基復(fù)合材料，主要是因?yàn)橄噍^于其他基體材料，碳化硅材料具有更好的耐高溫性能，可承受1316℃以上的高溫。碳化硅基CMC主要有碳纖維增強(qiáng)碳化硅（C/SiC）和碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅（SiC/SiC）兩種。C/SiC的*高使用溫度可達(dá)2000℃，SiC/SiC的*高使用溫度為1600℃。由于C/SiC抗氧化性能較SiC/SiC差，在高溫下只能短時(shí)間使用，因此國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件*終獲得應(yīng)用的是SiC/SiC。

西方發(fā)達(dá)國(guó)家在SiC/SiC發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)件的研究起步較早，積累了大量的研究成果,部分已達(dá)到實(shí)用水平。20世紀(jì)90年代，美國(guó)NASA通過(guò)使能推進(jìn)材料（EPM）項(xiàng)目的研究成果將SiC/SiC確定為民用飛機(jī)的*佳材料體系。據(jù)GE公司統(tǒng)計(jì)，在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史里，發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)合材料的引入，僅在*近10年里，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪材料的耐受溫度提高了66℃。

CMC首先在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端靜子部件獲商業(yè)應(yīng)用

20世紀(jì)90年代中期，斯奈克瑪公司與普惠公司在F100發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管部件上開展了連續(xù)纖維增強(qiáng)CMC的工程化研究應(yīng)用，重點(diǎn)進(jìn)行了模擬飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)使用環(huán)境下的強(qiáng)度壽命考核試驗(yàn)驗(yàn)證，并在F-15E戰(zhàn)斗機(jī)和F-16戰(zhàn)斗機(jī)的F100-PW-229發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)，考察了連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命試驗(yàn)下的使用可靠性和可維護(hù)性。

目前，SiC/SiC的CMC已經(jīng)在CFM國(guó)際公司的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)熱端靜子部件上實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用，并完成了首飛。LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的一級(jí)、二級(jí)高壓渦輪噴嘴和一級(jí)高壓渦輪罩環(huán)均使用了CMC，使得LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪的效率和耐久性大幅提高，發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕了數(shù)百千克，節(jié)重放大效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)3:1。此外，LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪導(dǎo)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(zhuǎn)部件也完成了地面試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)原始設(shè)備制造商認(rèn)為CMC*大的應(yīng)用應(yīng)該是在轉(zhuǎn)子部件上，而CMC材料從靜子件向轉(zhuǎn)子件過(guò)渡的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是必須適應(yīng)轉(zhuǎn)子部件的內(nèi)部應(yīng)力。2015年2月，GE公司通過(guò)F414渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)成功驗(yàn)證了CMC低壓渦輪葉片，這也是世界上*非靜子組件的輕質(zhì)CMC部件。

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(jí)CMC葉片不必空氣冷卻，氣動(dòng)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(dǎo)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(fā)動(dòng)機(jī)的CMC部件試驗(yàn)經(jīng)歷了500個(gè)嚴(yán)酷的循環(huán)，驗(yàn)證了輕質(zhì)、耐高溫CMC材料制造的渦輪葉片極強(qiáng)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(yīng)循環(huán)戰(zhàn)斗發(fā)動(dòng)機(jī)和下一代商用發(fā)動(dòng)機(jī)。之后，該驗(yàn)證機(jī)還將進(jìn)一步設(shè)計(jì)并用于驗(yàn)證GE公司當(dāng)前與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室合作開展的下一代自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)（AETD）項(xiàng)目在高應(yīng)力工況下的耐高溫性能。

在商用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，GE公司正在研發(fā)的用于波音777X寬體客機(jī)的GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)，將含有5個(gè)不同類型的SiC/SiC CMC零件：燃燒室內(nèi)/外襯、一級(jí)高壓渦輪罩環(huán)、一級(jí)噴嘴、二級(jí)噴嘴以及低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片。與LEAP僅在一級(jí)高壓渦輪罩環(huán)上使用CMC相比，燃燒室和渦輪葉片應(yīng)用CMC材料是GE9X的一個(gè)重大技術(shù)突破，GE公司估計(jì)GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)采用陶瓷基復(fù)合材料渦輪轉(zhuǎn)子葉片后總重將降低約455kg，相當(dāng)于GE90-115發(fā)動(dòng)機(jī)凈重的6%。GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的推力級(jí)別將達(dá)到450kN級(jí)，燃油效率較目前的GE90-115B將提高10%。

GE公司建成大規(guī)模CMC部件生產(chǎn)設(shè)施

GE公司預(yù)測(cè)，未來(lái)10年發(fā)動(dòng)機(jī)中CMC的用量將增加10倍。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，GE公司除了在紐約設(shè)立的全球研發(fā)中心以外，還完成了垂直一體化CMC供應(yīng)鏈的4個(gè)生產(chǎn)設(shè)施，即GE航空集團(tuán)總部負(fù)責(zé)CMC產(chǎn)品設(shè)計(jì)的CMC實(shí)驗(yàn)室；CMC原材料及部件的小批量生產(chǎn)廠；CMC部件大批量生產(chǎn)廠，生產(chǎn)包括LEAP所使用的SiC/SiC渦輪罩環(huán)等部件，其目標(biāo)是在2020年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)能超過(guò)36000個(gè)罩環(huán)；以及CMC大批量原材料生產(chǎn)設(shè)施，該設(shè)施包括兩間工廠，分別批量生產(chǎn)碳化硅陶瓷纖維和使用碳化硅纖維生產(chǎn)單向預(yù)浸料。

碳化硅陶瓷纖維工廠將是美國(guó)國(guó)內(nèi)*規(guī)模量產(chǎn)該材料的工廠，此前全球范圍內(nèi)僅在日本有一家隸屬于NGS先進(jìn)纖維公司的碳化硅陶瓷纖維量產(chǎn)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(huì)社（50%股權(quán)）、GE（25%股權(quán)）和法國(guó)賽峰集團(tuán)（25%股權(quán)）于2012年共同出資建立的合資公司。在工藝技術(shù)方面，GE的碳化硅纖維工廠主要來(lái)自NGS公司的授權(quán)；資金方面則來(lái)源于美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的資助（2190萬(wàn)美元）和GE自籌的資金。碳化硅纖維工廠竣工投產(chǎn)后，美國(guó)國(guó)防部、GE航空、賽峰集團(tuán)將成為其主要客戶。單向預(yù)浸料工廠的資金由GE公司單獨(dú)承擔(dān)，產(chǎn)品將供給CMC工廠生產(chǎn)零件，完工的零件運(yùn)送到先進(jìn)陶瓷涂層公司（ACC）進(jìn)行表面處理，將陶瓷環(huán)境障涂層（EBC）應(yīng)用在SiC/SiC組件表面，從而保護(hù)組件免受侵蝕。

美國(guó)下一代陶瓷基復(fù)合材料的技術(shù)攻關(guān)方向

美國(guó)下一代CMC用在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件時(shí)面臨兩項(xiàng)挑戰(zhàn)：一是材料韌性不足，難以滿足疲勞性能需求；二是材料制備工藝復(fù)雜、成本高等問題。目前的應(yīng)對(duì)措施之一是開發(fā)不同于GE所用的熔融滲透制備工藝，因?yàn)槔瞎に囅鹿钃]發(fā)過(guò)多，導(dǎo)致基體中形成裂縫，造成材料脆性大、韌性不足。措施之二是，改進(jìn)材料成分，改變含硅材料在高溫下會(huì)與水蒸氣反應(yīng)、造成成分損失的問題，從而減少對(duì)多層環(huán)境障涂層的依賴，達(dá)到降成本的目的。

新專利水樣聚合物具有更高溫穩(wěn)定性

美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種水樣聚合物（具有與水類似的密度和黏度），可加工成1700℃的陶瓷材料，質(zhì)量密度比其他超高溫陶瓷（如硼化鋯和碳化鉿等）低3～6倍。這種聚合物由硅、硼、碳、氮和氫5種成分組成，比其他的SiBNC聚合物具有更長(zhǎng)的保質(zhì)期，其生成的陶瓷具有隨機(jī)微觀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)陶瓷材料中一般觀察不到：硅原子與氮和碳連接而不是與硼連接；碳原子與另一個(gè)碳連接形成類石墨烯的鏈狀結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可以延遲與氧氣的反應(yīng)，從而使得材料在高溫下具有較高的穩(wěn)定性。

這種水樣聚合物也可以用于制造陶瓷纖維。當(dāng)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(wǎng)。它也可以注入模具，加熱成形，制成高精度、復(fù)雜形狀陶瓷部件。其他靈活的加工方式包括用于高溫防護(hù)的可噴涂涂層以及3D打印。這種聚合物與碳納米管相結(jié)合，由此產(chǎn)生的黑色物質(zhì)能吸收所有的波段光而不發(fā)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(dá)15000W/cm2的高溫能量場(chǎng)。

SiC須狀纖維可有效增強(qiáng)復(fù)合材料韌性

針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的CMC零件必須承受1600℃的溫度，且在氧氣中容易產(chǎn)生裂紋及變脆的問題，美國(guó)賴斯大學(xué)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(xué)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(gè)納米級(jí)的“維可牢”（Velcro）,纖維暴露在外的部分卷曲，像鉤子和環(huán)一樣，在纖維纏繞的位置產(chǎn)生了很強(qiáng)的內(nèi)鎖連接力，這不僅使得復(fù)合材料不易開裂，同時(shí)也將復(fù)合材料密封起來(lái)防止氧氣改變纖維的化學(xué)成分。

其具體的工藝流程包括3步：研究人員先將碳化硅纖維浸沒在鐵催化劑中，以生成連接碳納米管的化學(xué)鍵；然后使用水輔助化學(xué)氣相沉積(CVD)直接將碳納米管嵌入到纖維表面；隨后加熱至高溫，將碳納米管轉(zhuǎn)化為碳化硅纖維的晶須。測(cè)試結(jié)果表明，生長(zhǎng)碳納米管的碳化硅比無(wú)碳納米管的碳化硅纖維更耐高溫，且很容易做到耐受1000℃的高溫。在高壓力狀態(tài)下，生長(zhǎng)碳納米管的碳化硅可以輕松地在納米壓頭下反彈，極大地增加了其抗裂韌性。

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