前言
（一）陶瓷基復(fù)合材料
陶瓷基復(fù)合材料（CMC）包括兩部分，陶瓷纖維和陶瓷基體。陶瓷基復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)很多，比如低密度（僅為高溫合金的1/4~1/3）、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等。陶瓷基復(fù)合材料工作溫度可達(dá)1650℃，因此是一種超高溫復(fù)合材料。但是，陶瓷材料一般脆性較大，限制其在熱結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的應(yīng)用。通過在陶瓷材料中引入纖維材料，制備連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料可有效解決上述問題，大幅度提高強(qiáng)度的同時(shí)可改善脆性并提高材料的使用溫度。
目前，使用較為廣泛的陶瓷基復(fù)合材料有碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基 (SiC/SiC) 復(fù)合材料以及碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基 (C/SiC) 復(fù)合材料兩種，而碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的研究最為廣泛，其使用溫度可達(dá)1450℃，高溫強(qiáng)度大且重量輕、耐腐蝕，眾多優(yōu)點(diǎn)可改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，因此可用于長壽命航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。
（二）制備工藝
碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝主要有聚合物浸漬裂解工藝 (Polymer Infiltration and Pyrolysis, PIP)、化學(xué)氣相滲透工藝 (Chemical Vapor Infiltration, CVI) 以及反應(yīng)浸滲工藝 (Reaction Infiltration，RI) 等。
日本在聚合物浸漬裂解工藝上優(yōu)勢明顯，是國際上最早開展聚碳硅烷 (PCS) 和連續(xù) SiC 纖維研究的國家；德國則采用反應(yīng)熔融滲透 (Reactive Melt Infiltration, RMI) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的量產(chǎn)；法國的化學(xué)氣相滲透工藝則處于世界領(lǐng)先地位; 美國以化學(xué)氣相滲透工藝和聚合物浸漬裂解工藝為主。
國外研究項(xiàng)目
為了研究陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部位的應(yīng)用，美、日等發(fā)達(dá)國家推出了一系列國家級(jí)的研究計(jì)劃與項(xiàng)目，包括IHPTET項(xiàng)目、UEET項(xiàng)目以及AMG項(xiàng)目等。
（一）美國IHPTET項(xiàng)目
集成高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)項(xiàng)目（Integrated High Performance Turbine Engine Technology，IHPTET）是一項(xiàng)美國軍方項(xiàng)目，從1987年開始到2005年結(jié)束。IHPTET項(xiàng)目的目標(biāo)是通過技術(shù)研究，促進(jìn)軍用飛機(jī)上所使用的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)步。
IHPTET項(xiàng)目在三種發(fā)動(dòng)機(jī)類別中指定了目標(biāo)：渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)/渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)/渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)以及消耗性發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，主要目標(biāo)是將發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比加倍。
該項(xiàng)目取得了重大的研究成果，并部署在F-35 /聯(lián)合打擊戰(zhàn)斗機(jī)等飛機(jī)上。雖然該項(xiàng)目并沒有完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但是卻被廣泛認(rèn)為獲得了成功。
（二）美國UEET項(xiàng)目
超高效率發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)項(xiàng)目（Ultra Efficient Engine Technology, UEET）由美國NASA Glenn研究中心負(fù)責(zé)，從1999年10月1日開始，為期6年，總金額約3億美金（$300 million）。參與機(jī)構(gòu)除NASA外還有通用電氣發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)（GE Aircraft Engines）、普惠飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司（Pratt & Whitney）、霍尼韋爾公司（Honeywell）、艾利遜/勞斯萊斯公司（Allison/Rolls Royce）和威廉姆斯國際公司（Williams International）等5家發(fā)動(dòng)機(jī)公司以及波音公司（Boeing Company）和洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin Corporation）2家飛機(jī)制造商。
UEET項(xiàng)目的目標(biāo)為通過研究推進(jìn)技術(shù)確保系統(tǒng)效率的增加，減少15%的燃料燃燒。在UEET項(xiàng)目下，NASA開發(fā)陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)，能承受1649℃的渦輪進(jìn)口溫度，冷卻需求量比同類高溫合金部件減少15%至25%。
（三）日本AMG項(xiàng)目
日本先進(jìn)材料氣體發(fā)生器項(xiàng)目(Advanced Materials Gas-Generator，AMG)于1993年啟動(dòng)，為期10年，由日本關(guān)鍵技術(shù)中心及其他14家日本企業(yè)聯(lián)合投資。
該項(xiàng)目旨在通過使用先進(jìn)材料為下一代氣體發(fā)生器開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，顯著降低未來工業(yè)、船舶和飛機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)的燃料消耗、重量和尺寸。通過對(duì)聚合物基復(fù)合材料(PMC)、金屬基復(fù)合材料(MMC)、陶瓷基復(fù)合材料(CMC)以及鋁化鈦(TiAl)等材料進(jìn)行研究確定下一代氣體發(fā)生器所使用的先進(jìn)材料。
相關(guān)進(jìn)展
碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯、燃燒室筒、噴口導(dǎo)流葉片、機(jī)翼前緣、渦輪葉片和渦輪罩環(huán)等部位。以美國為首的發(fā)達(dá)國家在航空用陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，美國GE公司、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室分別是產(chǎn)業(yè)界與科研界的代表，此外，日本的大阪府立大學(xué)與法國波爾多大學(xué)都具有領(lǐng)先的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料制備技術(shù)。大阪府立大學(xué)針對(duì) PIP工藝的弱點(diǎn)，采用基體摻雜和先驅(qū)體改性等工藝，提高了碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的高溫性能，而法國波爾多大學(xué)的Naslain教授更是被認(rèn)為是國際CVI碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的技術(shù)鼻祖。
（一）美國GE公司
美國GE公司早在1992年就開始與NASA合作，在使能推進(jìn)材料項(xiàng)目（Enabling Propulsion Materials, EPM）下開始研發(fā)高速民用運(yùn)輸機(jī)用陶瓷基復(fù)合材料燃燒室內(nèi)襯，發(fā)展至今GE公司一直在尋求陶瓷基復(fù)合材料的新發(fā)展，截至2017年3月底，GE航空及合資伙伴已經(jīng)售出了超過12萬臺(tái)使用陶瓷基復(fù)合材料零部件的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)。
2016年6月16日，美國GE公司對(duì)外宣布將在美國阿拉巴馬州亨茨維爾市新建兩個(gè)復(fù)合材料工廠，其中一家工廠為碳化硅陶瓷纖維制造工廠，另外一家工廠則會(huì)采用碳化硅陶瓷纖維制造陶瓷基復(fù)合材料，并最終用于陶瓷基復(fù)合材料零部件的制造。美國GE公司碳化硅陶瓷纖維制造工廠的建立具有重要意義，這是美國第一家碳化硅陶瓷纖維制造廠，此前，碳化硅陶瓷纖維市場被日本宇部興產(chǎn)公司與日本碳公司牢牢占據(jù)，該工廠的建立將大幅提升美國生產(chǎn)耐2400°F高溫的碳化硅陶瓷纖維的能力。該碳化硅陶瓷纖維工廠獲得了美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室2190萬美元的資助，預(yù)計(jì)于2018年建成并投產(chǎn)，全面運(yùn)行后GE將具有年產(chǎn)20噸的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)能。
此外，空客 A320 和波音737MAX飛機(jī)的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪罩環(huán)采用了GE公司與CFM公司共同研制的碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料，開創(chuàng)了碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料在商用發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪部件上應(yīng)用的先河。而2015年GE航空通過 F414 渦航空發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)首次驗(yàn)證了陶瓷基復(fù)合材料低壓渦輪葉片的應(yīng)用，這是世界上首個(gè)陶瓷基復(fù)合材料航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件。
（二）英國羅爾斯-羅伊斯公司（也譯作勞斯萊斯公司）
2016年10月，外媒報(bào)道，羅爾斯-羅伊斯公司計(jì)劃投資3000萬美元，擴(kuò)大其在南加州的研發(fā)能力，并將在加利福尼亞州塞浦路斯建立一個(gè)新的研究中心，從事陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝研究。通過開發(fā)碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料，羅爾斯-羅伊斯公司打算將其應(yīng)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件上。羅爾斯-羅伊斯則表示碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能，具有燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用所需的強(qiáng)度和耐久性。
（三）橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室/美國先進(jìn)陶瓷協(xié)會(huì)
在美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)下，美國展開了對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的研發(fā)工作。CFM國際公司（賽峰和GE各占50%的合資公司）研發(fā)的LEAP新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)，成為第一個(gè)廣泛應(yīng)用的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品。航空發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)罩襯最熱端采用的便是陶瓷基復(fù)合材料部件，其工作溫度高達(dá)2400°F。與鎳基高溫合金相比陶瓷基復(fù)合材料組件需要的冷卻空氣更少。
2017年1月，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室對(duì)外表示，目前，陶瓷基復(fù)合材料需要承受2400°F，而下一代產(chǎn)品則需要承受2700°F，為解決這一挑戰(zhàn)，美國先進(jìn)陶瓷協(xié)會(huì)（USACA）正在為先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)2700°F 陶瓷基復(fù)合材料的行業(yè)驅(qū)動(dòng)路線圖。
該路線圖將向國會(huì)通報(bào)2400°F陶瓷基復(fù)合材料的成功案例，鼓勵(lì)投資開發(fā)2700°F的陶瓷基復(fù)合材料，并強(qiáng)調(diào)了陶瓷基復(fù)合材料對(duì)美國國家安全和環(huán)境的貢獻(xiàn)。USACA的路線圖支持最近國家科學(xué)院的研究結(jié)果，即對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)材料和涂料的投資應(yīng)該是一項(xiàng)高度優(yōu)先的事項(xiàng)，2700 °F陶瓷基復(fù)合材料可以顯著降低或消除發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的需求，并提高效率、降低重量。
未來陶瓷基復(fù)合材料將根據(jù)應(yīng)用需要在4個(gè)時(shí)標(biāo)內(nèi)承受極端條件，（1）運(yùn)載火箭的熱時(shí)間（hot time）將達(dá)到1個(gè)小時(shí)或更少；（2）若干天的容錯(cuò)燃料（例如，核電廠中的冷卻系統(tǒng)熄火）；（3）飛機(jī)渦輪機(jī)的使用壽命需達(dá)到數(shù)千小時(shí)；（4）工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)需超過3萬小時(shí)。
（四）美國國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室
2017年6月，美國國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（NETL）介紹了其正在推進(jìn)的對(duì)陶瓷基復(fù)合材料（CMC）在燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用研究項(xiàng)目。項(xiàng)目致力于提高使用了CMC的能源生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的效率和耐久性，以幫助滿足國家日益增長的能源需求，同時(shí)平衡對(duì)環(huán)境問題的顧慮。CMC由陶瓷基體以及填埋在其中的陶瓷纖維構(gòu)成，材料種類為碳化硅等陶瓷材料，可以承受非常高的溫度并具有很高的耐磨性。
隨著燃?xì)廨啓C(jī)性能和效率目標(biāo)的提升，其運(yùn)行中的溫度越來越高于傳統(tǒng)上用于渦輪機(jī)的超級(jí)合金的熔融溫度，使得燃?xì)廨啓C(jī)需要更多的空氣冷卻。CMC的耐高溫能力降低了冷卻所需要的空氣量，從而提高了產(chǎn)出和效率。
高強(qiáng)度CMC材料是獨(dú)特的美國自主技術(shù)，可以使燃?xì)廨啓C(jī)部件的運(yùn)行溫度比使用金屬合金部件的高出500華氏度，CMC在單組燃?xì)廨啓C(jī)噴嘴中節(jié)約的能效就相當(dāng)于3700戶美國普通家庭的供電量。
最新一代CMC除了具有耐高溫能力外，還開發(fā)出在相關(guān)尺度上生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀的能力，為CMC在燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用提供了更多機(jī)會(huì)，而CMC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的使用經(jīng)驗(yàn)也正在被納入到能源生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)中。
在NETL的贊助支持下，美國通用能源公司正在將高溫CMC材料系統(tǒng)應(yīng)用于熱氣路徑噴嘴，這項(xiàng)工作直接應(yīng)對(duì)能源部對(duì)先進(jìn)燃?xì)鉁u輪機(jī)在聯(lián)合循環(huán)應(yīng)用中效率超過65%的目標(biāo)。
（五）美國萊斯大學(xué)/NASA
2017年3月，美國萊斯大學(xué)與NASA合作，開發(fā)出新型碳化硅纖維，使用此種新型材料制備的陶瓷復(fù)合材料可以承受航天應(yīng)用中的高溫、高壓等極端惡劣條件。
用于高級(jí)火箭引擎中的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料需要承受高達(dá)1600攝氏度（2912華氏度）的高溫，目前NASA正在開發(fā)的用于火箭引擎中的陶瓷復(fù)合材料使用碳化硅纖維作為增強(qiáng)體，但當(dāng)此種材料暴露于氧氣中時(shí)，會(huì)變脆或者發(fā)生斷裂。
來自萊斯大學(xué)的材料科學(xué)家將碳化硅納米管和納米線嵌入了NASA使用的碳化硅纖維表面。纖維暴露的部分是卷曲的，可以像環(huán)和鉤子一樣在納米尺度上起到魔術(shù)貼的作用。
研究人員表示，將新型碳化硅纖維植入陶瓷復(fù)合材料中，并在火箭噴嘴、或火箭引擎的其它部件中進(jìn)行測試時(shí)，可以增加碳化硅纖維的強(qiáng)度、重量和耐熱性。
（六）宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)JAXA
日本JAXA正在研究適用于發(fā)動(dòng)機(jī)的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料。相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)將鎳基耐高溫合金替換成碳化硅復(fù)合材料等的陶瓷基復(fù)合材料的技術(shù)。并且與發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商合作，共同分析陶瓷基復(fù)合材料在超高溫狀態(tài)下的耐久性和形變的數(shù)據(jù)，以及超高溫材料的實(shí)驗(yàn)裝置和通用型試驗(yàn)方法（JIS規(guī)格和ISO規(guī)格）。
在降低制造成本的技術(shù)方面，與傳統(tǒng)制備方法相比，因?yàn)榭梢缘蜏刂苽?，?shí)驗(yàn)可以使用造價(jià)較低的碳化硅纖維，目前該技術(shù)正在申請(qǐng)專利。
我國現(xiàn)狀
我國目前已經(jīng)突破了第二代碳化硅纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料研制的關(guān)鍵技術(shù)，碳化硅纖維已經(jīng)具備了小批量的產(chǎn)能，但是與美、日等國仍具有較大差距。
在碳化硅纖維方面，我國起步比日本晚，國防科技大學(xué)與廈門大學(xué)等科研院校都在從事碳化硅纖維的研究，企業(yè)方面，蘇州賽力菲陶纖有限公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)碳化硅纖維的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，但是目前產(chǎn)能僅為噸級(jí)，而日本企業(yè)已經(jīng)達(dá)到百噸級(jí)的產(chǎn)能，因此我國在碳化硅纖維領(lǐng)域與日本差距較大。
在碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料方面，國際發(fā)動(dòng)機(jī)巨頭企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究。GE公司已經(jīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪罩環(huán)、低壓渦輪葉片以及燃燒室內(nèi)外襯套、高壓渦輪一級(jí)和二級(jí)導(dǎo)向器和一級(jí)罩環(huán)上應(yīng)用了陶瓷基復(fù)合材料。國內(nèi)方面，西北工業(yè)大學(xué)、中航工業(yè)復(fù)材中心、航天材料及工藝研究所、國防科技大學(xué)等都進(jìn)行了相關(guān)研究工作，但在工程產(chǎn)業(yè)化方面與美、歐等國尚存差距。
結(jié)論
我國近年來在碳化硅纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展，但是仍然需要繼續(xù)大力發(fā)展。
在碳化硅連續(xù)纖維方面要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的批量化生產(chǎn)，縮小與日本企業(yè)在產(chǎn)能方面的差距，雖然目前我國部分新產(chǎn)品處于中試生產(chǎn)階段，但是仍然具有質(zhì)量穩(wěn)定性的問題有待解決。
此外，我國在碳化硅陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件研究方面發(fā)展很快，但構(gòu)件工程化生產(chǎn)能力不足，需要持續(xù)大力發(fā)展。簡化陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的材料制備工藝，并降低成本。
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