陶瓷基復(fù)合材料逐步成為航空發(fā)動機中的關(guān)鍵材料

2023-06-05 來源：無機非金屬材料科學(xué) 瀏覽數(shù)：1017

陶瓷基復(fù)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(guān)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(fù)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(guān)鍵性作用。發(fā)動機是復(fù)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(zhì)、高性能的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在高溫領(lǐng)域應(yīng)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(jié)構(gòu)的材料仍以高溫合金為主。經(jīng)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(yīng)用陶瓷基復(fù)合材料和增材制造技術(shù)來進一步促進俄羅斯新一代航空發(fā)動機制造技術(shù)的發(fā)展。

      關(guān)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(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(fù)合材料和集成陶瓷復(fù)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(shù)打印生產(chǎn)。

       該發(fā)動機的電子操縱系統(tǒng)同樣也是全新的設(shè)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(zhuǎn)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(wǎng)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(shù)。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(xué)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(zhuǎn)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(shù)的項目經(jīng)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(xué)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(shù)制造的高科技陶瓷產(chǎn)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(nèi)從室溫到近2000℃的溫差。測試報告顯示，發(fā)動機樣品經(jīng)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(fù)合材料燃燒室內(nèi)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(fù)合材料正是GE航空部門最為依賴的技術(shù)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(shè)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(chǎn)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(lǐng)導(dǎo)下，美國展開了對陶瓷基復(fù)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(yīng)用的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品。

        F414的核心機設(shè)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(fù)仇者II”艦載隱身攻擊機研制的。“復(fù)仇者II”在1988年贏得了美國海軍先進戰(zhàn)術(shù)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(chǎn)F414的尾噴管二級封嚴片是用陶瓷基復(fù)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(fù)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(chǎn)的F414開始安裝Ox/Ox材料制造的封嚴片。

     ADVENT采用陶瓷基復(fù)合材料低壓渦輪和高壓渦輪前緣，AETD上陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用進一步擴大。據(jù)通用電氣聲稱，陶瓷基復(fù)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(fù)合材料葉片也比鎳基合金輕2/3。在ADVENT上，陶瓷基復(fù)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(xué)研制的國產(chǎn)陶瓷基復(fù)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(chǎn)陶瓷基復(fù)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(fù)合材料制造航空發(fā)動機高溫壓氣機打下了堅實的基礎(chǔ)。目前試飛的是陶瓷基復(fù)合材料渦輪盤，它與渦輪葉片構(gòu)成高溫渦輪，而高溫渦輪又是航空發(fā)動機核心機關(guān)鍵部件之一?，F(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(guān)鍵部件。一般認為航空發(fā)動機核心技術(shù)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(chǎn)第6代戰(zhàn)斗機發(fā)動機，也就是高推重比發(fā)動機已經(jīng)進入關(guān)鍵部件研制階段，預(yù)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(shù)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(fù)合材料的尾噴管調(diào)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(fù)合材料或碳-碳材料的一些靜止結(jié)構(gòu)；M88渦扇發(fā)動機噴口調(diào)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(fù)合材料（CMC）制造的。

      陶瓷基復(fù)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(guān)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(fù)合材料這樣的先進材料確保發(fā)動機性能達標。

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