隨著航天飛行器發(fā)動機(jī)單位推力的提高，發(fā)動機(jī)燃燒室出口溫度有較大幅度的提升，對燃燒室、渦輪以及加力燃燒室等熱端部件的材料提出了更高的要求，傳統(tǒng)鎳基高溫材料已經(jīng)難以滿足設(shè)計(jì)工況的使用要求。連續(xù)纖維增強(qiáng)SiC陶瓷基復(fù)合材料（簡稱CMC-SiC）是最有潛力的熱結(jié)構(gòu)材料之一，該材料的密度僅為高溫合金的30%，在不用空氣冷卻和熱障涂層的情況下，長期工作溫度可比高溫合金提高200℃以上。在航空發(fā)動機(jī)中采用陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，可以減輕部件重量和降低冷卻空氣用量，提高渦輪前溫度和效率，降低油耗率，從而能夠提高發(fā)動機(jī)的推重比。

圖：飛機(jī)發(fā)動機(jī)Leap將CMC組件引進(jìn)發(fā)動機(jī)渦輪罩襯里，改進(jìn)后的發(fā)動機(jī)需要的冷卻空氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鎳基超級合金，可比以往發(fā)動機(jī)節(jié)省燃油約15%。

一直以來制約我國武器裝備發(fā)展的很重要的短板就是發(fā)動機(jī)，無論是地面裝備還是空中裝備皆是如此。本文小編將帶大家探索“助推”航空發(fā)動機(jī)的熱結(jié)構(gòu)材料之一：連續(xù)纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料。

一、碳纖維or碳化硅纖維增韌碳化硅

連續(xù)纖維增強(qiáng)SiC陶瓷基復(fù)合材料(CMC-SiC)的應(yīng)用可覆蓋：瞬時壽命(數(shù)十秒~數(shù)百秒)、有限壽命(數(shù)十分鐘~數(shù)十小時)和長壽命(數(shù)百小時~上千小時)這三類服役環(huán)境的需求。CMC-SiC主要包括碳纖維增韌碳化硅(C/SiC)和碳化硅纖維增韌碳化硅(SiC/SiC)兩種。

目前陶瓷復(fù)合材料在航空領(lǐng)域可應(yīng)用于發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)襯、燃燒室筒、噴口導(dǎo)流葉片、機(jī)翼前緣、渦輪葉片和渦輪殼環(huán)等等部位。通常而言，碳纖維具有價格便宜且容易獲得的優(yōu)勢，當(dāng)屬C/SiC成為SiC陶瓷基復(fù)合材料研究及應(yīng)用的首選。但由于碳化硅復(fù)合材料為非致密性材料，在基體中存在著一定數(shù)量的孔隙或微裂紋，使用環(huán)境下的水氧介質(zhì)易通過裂紋和孔隙進(jìn)入到界面和纖維部位，若采用碳纖維則容易氧化失效，嚴(yán)重影響使用壽命。相當(dāng)而言，SiC/SiC比C/SiC抗氧化能力更優(yōu)秀，因此SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)熱端部件的應(yīng)用更被看好。

SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料通常由SiC纖維、界面層、SiC陶瓷基體和熱防護(hù)涂層組成。下文將對SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料各組成部分、陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝做簡單介紹。

二、SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料各個組分

1、碳化硅纖維

目前SiC纖維的制備工藝主要有化學(xué)氣相沉積法(CVD法)、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法(3P法)、微粉燒結(jié)法(PS法)和化學(xué)氣相反應(yīng)法(CVR法)等，目前實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的主要是先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備SiC纖維的歷程可分為3代，見下文簡析：

第1代為以日本碳公司(NipponCarbon)的Nicalon200纖維和宇部興產(chǎn)(UbeIndustries)的TyrannoLOX-M纖維為代表的高氧碳SiC 纖維，1 代纖維均采用氧化交聯(lián)方式，最終纖維中的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~15%，當(dāng)使用溫度達(dá)到1200℃以上，纖維中的SiCxOy相發(fā)生分解反應(yīng)，納米SiC 晶體長大，導(dǎo)致力學(xué)性能急劇下降。

第2 代纖維以日本Nippon Carbon 公司的Hi-Nicalon 纖維和Ube Industries 公司的Tyranno LOX-E、Tyranno ZM 和Tyranno ZE 等低氧、高碳含量SiC 纖維為代表，主要采用電子束交聯(lián)，第2 代SiC 纖維中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，自由碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高，SiC 晶粒尺寸較第1 代大，纖維使用溫度由1200℃提高到1300℃。

第3 代SiC纖維以Nippon Carbon 的Hi-NicalonType S、Ube Industries 的Tyranno SA以及Dow Corning 的Sylramic 等牌號的近化學(xué)計(jì)量比SiC 纖維為代表，在組成上接近SiC 化學(xué)計(jì)量比，游離碳和雜質(zhì)氧含量明顯降低，在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為高結(jié)晶度的SiC 多晶結(jié)構(gòu)，其耐溫能力大幅提升至1700℃。

2、界面層

界面層是連接SiC纖維和SiC基體的橋梁，理想的界面層主要有以下3個方面作用。①抑制由于化學(xué)滲透和物理收縮對纖維造成的損傷。②緩解纖維與基體由于本征結(jié)構(gòu)差異引起的熱應(yīng)力問題。③調(diào)解纖維和基體間的結(jié)合強(qiáng)度，有利于纖維拔出、界面分離、裂紋偏轉(zhuǎn)等能量耗散機(jī)制的發(fā)揮，增強(qiáng)復(fù)合材料韌性。

基于上述分析,SiC/SiC復(fù)合材料的界面層多采用具有層狀結(jié)構(gòu)、性能穩(wěn)定的材料構(gòu)成，常見的界面層材料包括以下3類。

①熱解碳界面層（PyC）。PyC界面層為典型的層狀結(jié)構(gòu)，通過裂紋在界面層內(nèi)部的偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)裂紋尖端應(yīng)力釋放，進(jìn)而提高材料的韌性。PyC界面層制備工藝成熟，設(shè)備商業(yè)化程度較高，成本較低，是目前應(yīng)用最為廣泛的界面層材料。然而PyC界面層抗氧化能力較差，限制了其在高溫氧化工況下的應(yīng)用。

②氮化硼界面層（BN）。BN與PyC均具有層狀結(jié)構(gòu)，BN在氧化媒介中900℃時開始發(fā)生氧化反應(yīng)，其氧化性能較PyC大幅提升。BN界面層制備工藝較為復(fù)雜，對設(shè)備要求較高，制備成本較高。

③復(fù)合界面層（（X-Y）n），該類界面層以（SiC-PyC）n為代表，綜合了SiC抗氧化性能優(yōu)異和PyC涂層層狀結(jié)構(gòu)易于裂紋偏轉(zhuǎn)的綜合優(yōu)勢，具有一定的應(yīng)用前景。

3、熱防護(hù)涂層

由于SiC/SiC復(fù)合材料作為熱結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用工況多為高溫、水氣、氧氣環(huán)境，要求熱防護(hù)涂層能夠?qū)崿F(xiàn)SiC/SiC復(fù)合材料和環(huán)境隔絕，長時間保護(hù)內(nèi)部材料。熱防護(hù)涂層的需要必須考慮以下幾點(diǎn)。①熱膨脹系數(shù)與SiC基體匹配。②氧擴(kuò)散率要低。③飽和蒸汽壓要低，避免高溫?fù)]發(fā)。④涂層和SiC基體結(jié)合力要好。⑤涂層結(jié)構(gòu)均勻、致密、相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

基于上述要求，SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料熱防護(hù)涂層主要由單層涂層體系和復(fù)合涂層體系組成。其中單層涂層體系主要包括SiC、Si₃N₄和莫來石（3Al₂O_3?2SiO₂）等類型涂層。復(fù)合涂層體系一般包括面層、過渡層、密封層等組成部分，如下圖所示是NASA在HSR-EPM計(jì)劃中研制的復(fù)合涂層，該涂層面層材料由HfO₂或ZrO₂構(gòu)成，中間層由莫來石等組成，其耐溫能力高達(dá)1650℃。

圖NASA開發(fā)的新型復(fù)合涂層

三、SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝

SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝主要包括聚合物浸漬裂解工藝（PIP）、化學(xué)氣相滲透工藝（CVI）和反應(yīng)浸滲工藝（RI）等。日本和法國分別以PIP和CVI技術(shù)見長，德國在RMI技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)世界領(lǐng)先，美國以CVI和PIP技術(shù)為主，3種制備工藝的優(yōu)缺點(diǎn)見下表。

目前在SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料制造工藝領(lǐng)域領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)主要有法國Boreleaux大學(xué)、美國Oak-Ridge國家實(shí)驗(yàn)室和日本OsakaPrefecture大學(xué)等。其中法國Boreleaux大學(xué)和美國Oak-Ridge長期從事化學(xué)氣相滲透技術(shù)，通過控制溫度梯度和氣體流場，實(shí)現(xiàn)纖維預(yù)制體沿溫度梯度方向均勻沉積化學(xué)氣相滲透，可以獲得高致密度的SiC/SiC復(fù)合材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大尺寸、復(fù)雜形狀構(gòu)件的制備。日本OsakaPrefecture大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)針對PIP工藝的弱點(diǎn)，采用基體摻雜和先驅(qū)體改性等工藝，提高了SiC/SiC復(fù)合材料的高溫性能，特別是抗氧化能力。

參考來源

1、連續(xù)纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用，中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所；王鳴，董志國，張曉越，姚博。

2、新型碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展，西北工業(yè)大學(xué)，張立同，成來飛，徐永東。

3、SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料研究及應(yīng)用，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，邱海鵬，陳明偉，謝巍杰。

粉體圈 作者：小白