碳化物先进陶瓷材料在航空航天应用分析

杨佑旺

（贵州遵义 610000 ）

摘要：进入21世纪以来，世界各国高度重视先进材料，其中碳化物先进陶瓷材料具有高熔点、高强度、特殊的电、磁等优异性能，广泛在航空航天领域的超高温、高真空等极端苛刻环境中得到使用，但是中国高品质碳化物先进陶瓷产能低下，致使我国在航空航天领域的发展受到限制，研发碳化物先进陶瓷制品已迫在眉睫，从专利分析角度对航空航天用碳化物先进陶瓷材料专利进行分析研究，对探明全球航空航天用碳化物先进陶瓷技术信息，改变我国航空航天用碳化物先进陶瓷的发展现状，指导我国航空航天用碳化物先进陶瓷技术未来发展具有重要意义。本文分析了航空航天用碳化物先进陶瓷材料研究的现状和碳化物先进陶瓷材料在航空航天应用，丰富了该方面研究的文献。

关键词：碳化物先进陶瓷材料；航天航空；应用分析；

1. 引言

在航空方面，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）正在成为一种理想的候选材料。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。目前，C/SiC和SiC/SiC材料已然引起美国、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(RB)、浆料浸渗/热解法(SIHP)、反应熔体渗透法(RMI)、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。在应用方面，经研究及考核结果表明，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.

2. 发展现状

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。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。如，SUN W等人在C/C复合材料表面采用化学气相沉积法沉积ZrC 陶瓷涂层，能够有效阻止氧向C/C集体进一步扩散。此外，由于CMC-SiC无法长期在1700℃以上的氧化环境中使用，因此可采用ZrC，TaC等超高温陶瓷材料对其进行涂层改性或基体改性，以发展更加耐高温、长寿命以及结构功能一体化的新型超高温材料。如今我国已然拥有CMC-SiC超高温改性技术基础。而SiC陶瓷材料是目前主要的航天反射镜材料，广泛应用于航空、航天的扫描镜、反射镜、光学系统等。我国已开发出4米大口径碳化硅反射镜，但应用最广泛的仍是1.5米大口径碳化硅反射镜。

3. 主要应用需求

3.1航空发动机

为了降低航空发动机的燃料消耗以及改善推重比，提高涡轮进口的温度是必要手段。而涡轮前温度与热端部项材料的工作温度最大值直接相关。据初步计算，采用耐温1480°C的CMC材料高压涡轮叶片可使发动机燃油消耗率降低6%。同时，采用CMC材料制成的燃烧室高温衬垫所需的冷却气量也大幅减少，进而降低冷却空气同燃油掺混后不完全燃烧生成氮氧化物的机会，其氮氧化物的减排潜力可达33%。因此，SiC/SiC陶瓷基复合材料在航空发动机上有广泛的需求，CMC被视为取代航空发动机高温合金，实现减重增效“升级换代材料”之首选。20世纪80年代，法国率先研制出牌号为CERASEPR系列的SiC/SiC陶瓷基复合材料，并成功应用于M88-2发动机（配套法国阵风战斗机）喷管外调节片和F100型发动机（配套美国F-15/F-16战斗机）调节片上。根据TechNavio提供的市场调研报告，全球陶瓷基质复合材料市场预计将从2019年至2023年增长近21亿美元，复合年增长率接近10%。航空制造业的持续增长是未来数年内推动陶瓷基复合材料市场需求增大关键因素之一

3.2防热系统

航天装备如导弹、火箭、高超声速飞行器等一般飞行速度较高，飞行过程表面温度高，对防热要求较高。导弹在大气飞行速度很高（接近或者远超过声速），此时由于导弹气动加热，其表面蒙皮及弹头温度会快速升高，普通的铝合金甚至钛合金都难以满足要求，例如，美国改进型超音速海麻雀导弹在发射后8秒~10秒，弹体蒙皮温度可达371℃，这种环境下2024铝合金强度会降低90%，难以满足要求。因此，对于高速飞行的航天装备，需要采用各种不同类型的陶瓷材料及复合材料来实现防热，如美国X-47B高超声速飞行器使用了碳陶瓷复合材料用来防热，耐温可达1700℃。

3.3光学部项

作为高分辨率空间对天文观测、地观测和深空探测系统的核心部项的大口径光学反射镜，其制造技术水平是衡量一个国家高性能光学系统研制水平的重要标志，对基础科研能力、国民经济建设和国防安全有着重要意义。碳纤维增强碳化硅复合材料、碳化硅、微晶玻璃、石英玻璃和金属铍等为世界上常见的反射镜基体材料。反射镜直径和光学望远镜的精度与分辨率成正比，直径越大，精度与分辨率越大，尤其是针对运动目标。因此，对更大口径反射镜的需求是无止境的，也是国际竞争的焦点。而碳化硅与其他材料相比，拥有的热稳定性和比刚度更大，碳化硅反射镜在精度、口径达到要求的同时，其重量更小、热稳定性更好，是大口径反射镜基体材料的首选材料。

4. 结束语

在航天方面，随着科技的发展，高超声速飞行器飞行速度已经达到5马赫数以上，飞行器表面温度会超过1000℃，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。本文分析了航空航天用碳化物先进陶瓷材料研究的现状和碳化物先进陶瓷材料在航空航天应用，丰富了该方面研究的文献。

参考文献

1. 李成功，傅恒志，于翘.航空航天材料[M].北京:国防工业出版社，2001

2. 赵楠. 纤维增强陶瓷用碳化硅纤维专利分析[N]. 中国知识产权报,2013-07-10(007).

3. 李峰,安琳.从专利分析看碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料发展[J].飞航导弹,2017(02):79-86.

作者：杨佑旺，身份证号：522128198501052039。