摘要: 陶瓷基复合材料(CMC)是在陶瓷中引入第二相材料,使之增强,增韧的多相材料.法、美、德、日等发达国家20多年来积极开展研究,目前陶瓷基复合材料已在航空航天发动机、航天热防护系统、原子能等领域已经得到应用。
关键词: 纤维增强陶瓷基复合材料;发展及应用
中图分类号:TQ34文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0520116-01
0 引言
作为结构材料,陶瓷具有耐高温能力强、抗氧化能力强、硬度大、耐化学腐蚀等优点,缺点是呈现脆性,不能承受剧烈的机械冲击和热冲击,因而严重影响了它的实际应用.为此,人们通过采用连续纤维增韧方法改进其特性,进而研发出连续纤维增强陶瓷基复合材料。该种材料采用碳或陶瓷等纤维进行增强,使陶瓷基体在断裂过程中发生裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等的同时,吸收能量,既增强了强度和韧性,又保持了良好的高温性能。
1 纤维增强陶瓷基复合材料的研究发展
我国从20世纪70年代初期开始碳纤维增强陶瓷基的研究,由于碳纤维增强石英复合材料中,两相在化学上相容性好,而且在物理上匹配也适当,因而取得很好的增强增韧效果。C/SiC在化学相容和物理上的匹配都不甚理想,这种复合材料虽然在任性上得到改进,但在增强上并没有什么显著效果[1],这一材料已经在我国的空间技术上得到应用。在碳纤维增强氮化硅复合材料的研究中发现:碳纤维与氮化硅的两相组合在化学上相容和物理上的匹配不甚理想。尽管可以通过低温烧结的途径来改善其化学相容性,通过 的相变来缓和由于热膨胀不匹配而引起的应力,但是两相之间弹性模量的不匹配所产生的影响仍然无法消除。因此,这种复合材料虽然在韧性上可以得到改进,但在增强上并没有什么显著效果[2]。碳化硅纤维增强锂铝硅(LAS)复合材料也是一种比较符合前述原则的复合系统,它在1200℃以下不失为一种好的高温结构材料[3]。由于LAS微晶玻璃可以通过添加 调整其热膨胀系数,使之与碳化硅纤维得到更佳的匹配[4]。碳纤维/LAS复合材料具有高达20.1MPa.m的断裂韧性[5]。我国采用气相合成或以氧化硅为原料的碳还原法制造SiC晶须,所制备的SiC晶须 复合材料有极好的高温强度和断裂任性,在1370℃分别为880MPa和8.5MPa.m,且表现出低的残余应力和高的抗蠕变性能.国际在20世纪90年代,CMC-SiC开始步入应用研究阶段.作为高推重比航空发动机用高温热结构材料,以推重比10航空发动机为演示验证平台对喷管,燃烧室和涡轮三大部分进行了大量考核,历时十余年目前仍在进行.其中法国Snecma公司生产的CMC-SiC调节片、密封片已装机使用近10年。在700℃工作100h,减重50%,疲劳寿命优于高温合金,目前正向其他发动机上拓展.中期(2015～2020年),发展燃烧室和内衬、低压涡轮和导向叶片;远期(2020年以后),发展高压涡轮和导向叶片,高压压气机涡轮和导向叶片。
2 纤维增强陶瓷基复合材料的应用现状
目前用来制备发动机构件的CMC-SiC纤维主要是碳纤维和SiC纤维。根据制备原料的不同,碳纤维可以分为粘胶基碳纤维、PAN基碳纤维和沥青基碳纤维。PAN基碳纤维主要是高强度型;沥青基碳纤维主要是高模量型,也有高强和高模兼具型。
在纤维用于制备航空发动机构件的选型上,美国做了较为广泛的研究。1994年,NASA的EPM项目(Enabling Propulsion Materials)选择SiCf/SiC作为HSCT(high speed civil transport)发展的最佳材料系统,并开始进行纤维、纤维涂层和基体组成的选择和研究。
作为高比冲液体火箭发动机用材料,多种卫星姿控轨控发动机喷管和大型运载火箭发动机喷管扩张段通过了试车考核。美国Hyper-Therm HTC,Inc.公司和空军实验室采用CVI技术制备的C/SiC复合材料液体火箭发动机推力室。此推力室长457mm,喷管出口直径为254mm,喉部直径为35mm。目前已通过工作条件为 (g)/ (l)推进剂、燃气温度2050℃、燃烧室压力4.1MPa,推力1735.2N的热试车考核。
美国空军超音速技术计划在模拟Mach8巡航导弹工作环境中测试了多种用于超燃冲压发动机尾喷管,燃烧室侧壁和进气道唇口,侧壁复合材料的性能。结果表明,带有抗氧化涂层的C/SiC复合材料能经受住10min的模拟环境考核,可用作一次性使用巡航导弹超燃冲压发动机中的进气道材料,并有希望用于温度高1940℃的燃烧室和喷管。针对大于Mach8飞行和长期工作,美法共同发起一项为期4年的研究计划,设计了带有冷却结构的C/SiC复合材料夹层结构,分为3层:面向高温气流的最内层为C/SiC复合材料,中间层为镍合金冷却管,最外层也为C/SiC复合材料。这种结构的缩比件通过了模拟超燃冲压发动机燃烧室工作环境的考核。
3 结论
纤维增强陶瓷基复合材料已经得到广泛应用,但同时,此种材料还不太成熟,要想广泛地实际应用,还必须深入研究其特性,探索其经济实用的制造工艺,开发科学的概率设计方法,以解决好在高温环境下的耐久性和安全可靠性问题。
参考文献:
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[4]郭景坤、杨涵美、张玉峰、诸培南、黄世忠,材料科学进展,1993(2):179.
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