航空方面,作为飞机“心脏”的航空发动机,其使用工况十分复杂,且对使用寿命的要求极高;与飞机比较,关键热端部项材料的使用温度更高,通常达到1000℃以上;与航天比较,材料的使用寿命需更长,一般要求达到3000h以上。因此,航空发动机的材料体系,需要能够同时满足高温、长寿命的使用要求,是非常有限的。然而逐渐发展成熟的碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)已成为航空航天热端部件的一种理想候选材料。
CMC-SiC指碳化硅纤维增强碳化硅(SiC/SiC)和碳纤维增强碳化硅(C/SiC)。CMC-SiC是一种轻质、耐高温、冷却少甚至无需冷却的新型复合材料,是目前国际公认的最具发展潜力的发动机热端部项材料之一,即保留了纤维耐高温、高强、高模、耐腐蚀、抗蠕变、材料热膨胀系数小等优点,同时又克服了陶瓷材料抗冲击性能差、断裂韧性低的缺陷,在航空航天和核聚变领域都有着广泛的应用前景。
目前,C/SiC和SiC/SiC材料已引起美国、日本、德国、法国等航空发达国家的普遍关注,历经二十多年目前仍在继续研究。在制备工艺方面,主要的制备工艺有热压烧结法(HPS),反应烧结法(BB)、浆料浸渗/热解法(SIFIP)、反应熔体渗透法(RMD)、先驱体浸渍热解法(PIP)和化学气相渗透法(CVI)以及PIP-HP法、CVI-RMI法和CVI-PIP法等。
美国以CVI,PIP技术为主,制备水平较高;日本拥有世界领先的连续碳化硅纤维制备技术,制备碳化硅复相陶瓷以PIP法为主,SiC/SiC的研究制备水平较高;德国以RMI和PIP技术为主,RMI技术世界领先;法国的CVI技术处于世界领先地位;我国以CVI,PIP,RMI技术为主,材料性能已达到国际领先水平。
有研究结果表明,CMC-SiC可使中温中等载荷静止项(内锥体、密封片/调节片等)减重50%以上,并显著提高其使用寿命,总的来说,目前,中温中等载荷静止项(内锥体、密封片/调节片等)已完成全寿命验证并进入实际应用和批量生产阶段;高温中等载荷静止项(导向叶片、涡轮外环、火焰稳定器、火焰筒等)正进行全寿命验证,有望进入实际应用阶段;而高温高载荷转动项(涡轮叶片、转子等)尚处于探索研究阶段,使用寿命与应用要求相距甚远;而我国在应用方面的研究尚处于起步阶段,与发达国家差距较大。
① 航空航天用热结构材料
在高的工作温度、强气流的冲刷腐蚀和高应力的振动载荷等恶劣环境下,C/SiC被认为是较为理想的航空航天用热结构材料之一,作为热结构材料中的应用包括航天飞机和导弹的鼻锥、导翼、机翼和盖板等。此外,C/SiC复合材料在战略导弹和多用途导弹的喷管,以及航天飞机热防护系统及固体火箭发动机导流管等领域具有广阔的应用前景。
② 航空发动机
航空航天技术的需求对于陶瓷基复合材料的发展起着决定性作用。用C/SiC复合材料制作的喷嘴已用于幻影2000战斗机的M55发动机和狂风战斗机的M88航空发动机。国内对C/SiC复合材料的研究起步较晚,近年来,在国内多家单位的共同努力下,C/SiC的制备技术和性能等方面都取得了长足进步,与世界先进水平的差距在逐步缩小。
③ 航天飞行器
超声速飞行器在入大气过程中,由于强烈的气动加热,飞行器的头锥和机翼前缘的温度高达1650℃,传统的热防护材料已经不能满足需求,超高温材料成为新的研究热点。碳化物超高温陶瓷具有熔点高及抗热震稳定性好等良好的化学与力学稳定性,能够适应超高音速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行与火箭推进系统等极端环境,可以被应用于机翼前缘、鼻锥、发动机热端等各种关键部项。作为应用在航天飞行器上的重要材料,碳化物超高温陶瓷材料得到各国的高度关注。
④ 高温抗氧化烧蚀涂层
目前常见的碳化物超高温陶瓷主要有碳化锆(ZrC),碳化钽(TaC)和碳化铪(HfC),以及以其为基体的陶瓷基复合材料或复相材料。这三种物质的熔点3000℃以上,具有优良的热化学稳定性、物理性能,包括高弹性模量、高硬度、低饱和蒸汽压、适中的热膨胀率和良好抗热震性能等,能在高温下保持很高的强度。并且,以其作为高温抗氧化烧蚀涂层技术在航空航天领域的应用也受到各个国家的普遍关注,它是一种外部涂层保护方法,保护原理是将制备各类涂层使材料与氧化烧蚀环境隔离开,阻止碳和氧发生反应。
⑤ 卫星反射镜
Cf/SiC复合材料密度较低,刚度高,在低温下热膨胀系数小及导热性能良好,热性能和力学性能都比较理想,而且可以得到极好的表面抛光,是一种十分理想的卫星反射镜基座材料。Cf/SiC复合材料作为反射镜材料的研究在国外已经进行了20多年,技术比较成熟,如美国、俄罗斯、德国、加拿大等利用碳纤维增强碳化硅复合材料(Cf/SiC)制备出高性能反射镜。
最具代表性的是德国Donier卫星系统公司采用LSI方法制备的Cf/SiC复合材料反射镜作为空间望远镜主镜,直630mm,质量仅为4kg,最大可制作3m的大型反射镜,有望用作美国下一代空间望远镜(NGST)反射镜。
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