第一篇：商用航空發(fā)動機(jī)陶瓷基復(fù)合材料部件的研發(fā)應(yīng)用及展望

商用航空發(fā)動機(jī)陶瓷基復(fù)合材料部件的研發(fā)應(yīng)用及展望

商用航空發(fā)動機(jī)是航空產(chǎn)業(yè)的重要支柱，隨著氣動熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料科學(xué)的飛速發(fā)展，大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)向著低油耗、低排放、低噪聲、易維護(hù)、高可靠、長壽命等高效能方向發(fā)展，已成為先進(jìn)商用航空發(fā)動機(jī)的研發(fā)目標(biāo)?；诖髷?shù)據(jù)挖掘，在不改變渦扇發(fā)動機(jī)現(xiàn)有布局的前提下，要達(dá)成上述性能指標(biāo)，依靠創(chuàng)新材料和新穎構(gòu)型成為根本性的解決途徑。

近半個(gè)世紀(jì)以來商用航空發(fā)動機(jī)技術(shù)，尤其是燃燒室技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)動機(jī)的推重比得到了顯著提高，飛機(jī)的性能因此得以大幅提升。隨著終端用戶對飛行航程和速度要求的不斷提高，對發(fā)動機(jī)高推力、高推重比要求的同時(shí)，減少NOx和CO排放等環(huán)保指標(biāo)也越來越苛刻，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的增壓比、渦輪前溫度、燃燒室溫度以及轉(zhuǎn)速也必須不斷提升。就材料而言，當(dāng)前高效航空發(fā)動機(jī)噴射出高熱氣體——足以達(dá)到傳統(tǒng)鈦合金、鎳基高溫合金使用溫度的極限，現(xiàn)有合金材料方案無法完全滿足下一代先進(jìn)發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)對耐熱的需求，在實(shí)際應(yīng)用中，不得不對高溫部件采取氣冷以及熱障涂層防護(hù)等措施。但冷氣的應(yīng)用一方面會減少燃燒空氣，降低發(fā)動機(jī)燃燒效率；另一方面，使部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，不僅增添了加工難度，且研制和維護(hù)費(fèi)用也隨之提高。

高性能航空發(fā)動機(jī)追求不斷提升渦輪前溫度，對熱端部件用材的高溫強(qiáng)度、抗腐蝕性及抗氧化性能要求也越來越高，推重比15～20發(fā)動機(jī)的渦輪前溫度將達(dá)到1927℃/2200K，耐溫高、密度低、有類金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感、不發(fā)生災(zāi)難性的損毀等優(yōu)異性能的陶瓷基復(fù)合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）取代高溫合金，滿足熱端部件在更高溫度環(huán)境下使用，不僅有益于大幅減重，還可節(jié)約冷氣甚至無需冷卻，從而提高總壓比（Overall Pressure Ratios,OPR），實(shí)現(xiàn)在高溫合金耐溫基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升工作溫度400~500℃，結(jié)構(gòu)減重50%~70%，勢必成為高推比航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)用材[1]。

陶瓷基復(fù)合材料由連續(xù)纖維增韌補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基體，具有低密度、高硬度、耐熱和耐化學(xué)氣氛，加之其固有的性能，在廣泛的領(lǐng)域，如航空發(fā)動機(jī)熱端結(jié)構(gòu)件、尾噴系統(tǒng)以及內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用中，被視為取代高溫合金、實(shí)現(xiàn)減重增效 “升級換代材料”之首選。

商用航空發(fā)動機(jī)與軍機(jī)不同，更注重長壽命、高可靠性、易維護(hù)、環(huán)保型、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)，通過采用更多新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝，同時(shí)滿足嚴(yán)格的適航認(rèn)證，才能投入商用。

陶瓷基復(fù)合材料在大涵道比商用航空發(fā)動機(jī)的應(yīng)用已呈快速增長趨勢，被認(rèn)同為高新技術(shù)，是反映一個(gè)國家航空航天高端制造業(yè)水平、關(guān)系國家安全的新型戰(zhàn)略性熱材料。CMC歷經(jīng)30余年的研發(fā)，已開始進(jìn)入商業(yè)市場，以空客為例，從A320到A320neo的飛發(fā)換裝，借助CMC在內(nèi)的復(fù)合材料應(yīng)用，有望提高發(fā)動機(jī)燃效15％。我國大客發(fā)動機(jī)動力處在追趕先進(jìn)的研制階段，不遠(yuǎn)的將來，將推出裝配具有自主知識產(chǎn)權(quán)CMC部件的國產(chǎn)長江系列商用航空發(fā)動機(jī)。

商用航空動力之爭——先進(jìn)發(fā)動機(jī)

波音和空客是國際著名飛機(jī)制造商的兩大巨頭，幾乎壟斷了中、大型商用飛機(jī)的國際市場。在新一代窄體機(jī)中，除了波音737MAX、空客A320neo之外，近年還接連涌現(xiàn)了中國商飛C919，巴航工業(yè)E-Jet E2、龐巴迪C系列和俄羅斯MS21等新生力量。

目前商用航空發(fā)動機(jī)市場基本由GE、P&W、R-R和CFM壟斷，俄羅斯和中國在積極努力參入，該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步直接推動著整個(gè)航空業(yè)的升級換代。

其中，CFM是GE和SAFRAN（法國賽峰）集團(tuán)旗下SNECMA（斯奈克瑪）公司對半合資成立的公司，已向波音和空客提供了2.5萬余臺中型客機(jī)用噴氣發(fā)動機(jī)。其經(jīng)典之作CFM-56是全球裝機(jī)最多的一款發(fā)動機(jī)產(chǎn)品，堪稱傳奇。針對新支線的換裝，將推出LEAP（Leading Edge Aviation Propulsion）作為替代產(chǎn)品參與競爭，并將成為CMC應(yīng)用的首款商用航空發(fā)動機(jī)面世[2]。

空客于2010年12月1日正式啟動A320neo項(xiàng)目，該項(xiàng)目與波音稍后啟動的737MAX項(xiàng)目一樣，重點(diǎn)是換裝新型發(fā)動機(jī)。與737MAX不同，A320neo有兩款備選發(fā)動機(jī)，分別是P&W的PW1100G-JM和CFM的LEAP-X1A。

事實(shí)上，只有A320neo項(xiàng)目有兩款發(fā)動機(jī)型號供選擇，其他客機(jī)項(xiàng)目都只選擇了唯一的發(fā)動機(jī)供應(yīng)商：龐巴迪C系列、三菱重工MRJ、伊爾庫特MS-21和巴航工業(yè)下一代E-Jets選擇了PW1000G系列，737MAX和中國商飛的C919則選擇了CFM的LEAP-X發(fā)動機(jī)。

因此A320neo的發(fā)動機(jī)是P&W和CFM唯一針鋒相對的市場，總計(jì)近2500架的龐大訂單也給這場動力之爭增添了更多火藥味。起始于20世紀(jì)80年代的窄體客機(jī)的動力之爭，伴隨著多年來的技術(shù)發(fā)展，比拼已進(jìn)入一個(gè)全新的階段。CFM和P&W選擇了兩條不同的技術(shù)升級路線。PW1100G-JM以齒輪傳動見長；LEAP-X則在復(fù)合材料應(yīng)用上下足功夫，也成就其一大亮點(diǎn)。PW1100G-JM發(fā)動機(jī)采用傳統(tǒng)的金屬材料制造，而LEAP-X發(fā)動機(jī)則憑借采用更多復(fù)合材料應(yīng)對。相比現(xiàn)役發(fā)動機(jī)，盡管LEAP-X和PW1100G都大幅增加了風(fēng)扇尺寸和涵道比，但CFM公司把更多精力放在發(fā)動機(jī)熱效率的提高上，P&W公司則著重提高發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率。兩家都宣稱，自己下一代發(fā)動機(jī)比現(xiàn)役A320產(chǎn)品的油耗將降低15%。按每加侖2.5美元計(jì)，每架飛機(jī)一年就可節(jié)省百萬美金的航油費(fèi)，換發(fā)效益可觀。CFM公司和P&W公司各憑借其“二十年磨一劍”的技術(shù)優(yōu)勢開啟了未來數(shù)十年的競爭，目前兩家斬獲的發(fā)動機(jī)訂單數(shù)量基本上旗鼓相當(dāng)。

CMC——陶瓷基復(fù)合材料

傳統(tǒng)概念的陶瓷材料通常易碎、脆性大及可靠性差，不適合發(fā)動機(jī)應(yīng)用。為了工程應(yīng)用需克服其固有的致命弱點(diǎn)，人工創(chuàng)新出CMC這種全新的復(fù)合材料，它基于陶瓷組分，采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與成分相同或相近的基體復(fù)合，纖維用以阻止材料中裂紋的擴(kuò)展，從而改善韌性，實(shí)踐證明已成為提高CM可靠性的一個(gè)有效方法。復(fù)合后的陶瓷材料兼具優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性，強(qiáng)韌化方式有“納米晶粒增韌”、“原位自生增韌”、“仿生結(jié)構(gòu)增韌”和“增強(qiáng)體增韌”4種[3]。

替代高溫合金作為發(fā)動機(jī)高溫結(jié)構(gòu)部件用材料，CMC具有諸多優(yōu)勢：（1）SiC/SiC密度為2.4~2.6g/cm3，僅相當(dāng)于高溫合金1/3程度，可有效降低結(jié)構(gòu)重量；（2）耐溫、能承受更高的工作溫度，減少或省去冷卻氣體，從而提升渦輪效率；（3）可減少為降溫而設(shè)置的附加結(jié)構(gòu)，簡化發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（4）因?yàn)槔鋮s氣流更少和燃燒室溫度更高，燃燒將更為充分，排放氣體中的CO和NOx的量更少，尾氣更為潔凈；（5）葉片可以有更高旋轉(zhuǎn)速率，有益于更大推力；（6）高比強(qiáng)、高比模、高硬度、耐磨損、耐腐蝕；（7）高溫抗氧化、抗燒蝕，具有高溫?zé)岱€(wěn)定的耐久性能；（8）熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率高，纖維和基體間熱應(yīng)力小。

因此，對裂紋不敏感，可避免災(zāi)難性損毀等優(yōu)異特性的CMC，能實(shí)現(xiàn)更長的使用壽命，被認(rèn)定為21世紀(jì)航空航天等高溫部件最有希望的應(yīng)用材料，成為航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用的一個(gè)發(fā)展趨勢。

依所用陶瓷基體不同，CMC一般為氧化物基及非氧化物基兩大類。CMC組元纖維的化學(xué)成分多采用與基體相同或相近的材料構(gòu)成。氧化物CMC，增強(qiáng)材料采用氧化物纖維，基體材料多為高熔點(diǎn)金屬氧化物，常用基體有氧化鋁（Al2O3）、釔鋁石榴石（YAG）、氧化鋯（ZrO2）等；非氧化物陶瓷基復(fù)合材料，主要采用陶瓷纖維（C或SiC）和纖維增韌補(bǔ)強(qiáng)SiC材料（C/SiC或SiC/SiC）兩種。尤其是SiC/SiC，不但保持了SiC陶瓷優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和良好的抗氧化性能，還克服了韌性差等致命弱點(diǎn)。氧化鋁基纖維主要優(yōu)點(diǎn)是抗氧化，缺點(diǎn)是抗蠕變性差；碳化硅陶瓷纖維則具有良好的綜合性能，但使用溫度有待進(jìn)一步提高。

CMC典型的制備方法有：化學(xué)氣相浸透（Chemical Vapor Infiltration，CVI）法、先驅(qū)體浸滲熱解（Polymer Impregnation and Pyrolysis，PIP）法、漿料浸漬結(jié)合熱壓（Slurry Impregnation and Hot Pressing，SIHP）法和反應(yīng)性熔體滲透（Reactive Melt Infiltration，RMI）法等。其中CVI法可用于基體、界面層和表面涂層制備；RMI工藝通過熔融的Si或氣態(tài)Si滲入有適當(dāng)孔隙的陶瓷纖維預(yù)制體內(nèi)部，通過Si 和C反應(yīng)形成SiC基體，對控制部件內(nèi)空洞缺陷發(fā)生、達(dá)到致密、實(shí)現(xiàn)低成本制備有益。

采用CVI、PIP工藝，可獲得無殘留Si的CMC材料，但致密度難以達(dá)到90%以上（氣孔率低于10%），制備的部件多用于航天領(lǐng)域服役時(shí)間短或軍機(jī)的尾噴部件；而服役長壽命的航空發(fā)動機(jī)熱端部件，需達(dá)到98%以上致密度，同時(shí)消除殘余Si以確保抗蠕變性能，通常采用上述工藝與熔滲（RMI）相結(jié)合，所獲得的CMC耐溫水平高，較比當(dāng)前通用的高溫合金“單晶+涂層+冷卻”組合，其耐溫能力提升400℃以上，已成為新一代航空發(fā)動機(jī)用材的趨勢選擇。世界各技術(shù)先進(jìn)國家都把它為推動航空發(fā)動機(jī)重大進(jìn)化作用的高新材料，而加以重點(diǎn)開發(fā)和應(yīng)用。

連續(xù)纖維作為一種“增強(qiáng)體”，能最大限度地抑制陶瓷缺陷的體積效應(yīng)，有效偏折裂紋、消耗纖維拔出的斷裂能，從而發(fā)揮纖維增韌和補(bǔ)強(qiáng)作用，強(qiáng)韌化效果最好。所形成的連續(xù)纖維增韌補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料（Continuous Fiber Ceramic Matrix Composite，CFCC）從根本上克服了陶瓷脆性大和可靠性差的弱點(diǎn)，加之自愈合組織形成和應(yīng)用，使其具備有類金屬的斷裂行為，對裂紋不敏感，不致發(fā)生災(zāi)難性損毀等特征。優(yōu)異的強(qiáng)韌性使其成為新型耐高溫、低密度熱結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主流，連續(xù)纖維增韌碳化硅CMC是目前研究最多、應(yīng)用最廣泛的CMC材料，在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。

應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)熱端部件，高溫和腐蝕性環(huán)境會對CMC造成損傷，進(jìn)而降低其性能。需要通過在其表面涂覆環(huán)境阻隔涂層（Environmental Barrier Coating，EBC），以阻隔材料組分與外部破壞性因素的反應(yīng)，進(jìn)而延長CMC使用壽命。EBC材料組分主要是金屬氧化物或無機(jī)鹽類化合物，通常有YSZ（ZrO2+8%Y2O3）、鋇長石、莫來石+BSAS/Si等[3]。

由連續(xù)纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷基體復(fù)合成材的“混搭”，類似于“鋼筋+混凝土”組合，連續(xù)的陶瓷纖維根據(jù)需要，可編織成1D（一維）、2D（二維）、以至3D（三維）的“鋼筋”骨架（纖維預(yù)制體）、“混凝土”則為骨架周圍緊密充填的陶瓷基體材料，這使其具有高比模、耐高溫、抗燒蝕、抗粒子沖蝕、抗氧化和低密度等優(yōu)點(diǎn)，且強(qiáng)度特別是韌性相比單相陶瓷的應(yīng)變?nèi)菹薮蟠筇岣?，維持高強(qiáng)度的同時(shí)也獲得高韌性。實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí)具備優(yōu)良的耐渦輪前溫度性能，減少冷氣量，進(jìn)而大幅提升發(fā)動機(jī)工作效率。成為1650℃以下長壽命（數(shù)百上千小時(shí)）、1900℃以下有限壽命（數(shù)分到數(shù)十分鐘）和2800℃以下瞬時(shí)壽命（數(shù)秒至數(shù)十秒）的熱結(jié)構(gòu)/功能材料。

嚴(yán)格化學(xué)計(jì)量比的SiC陶瓷纖維具有低密度、抗磨損、高基體強(qiáng)度和最高耐溫特性；氧含量低于2%的SiNC纖維50~500絲束，可有效提高1350℃/2462℉溫度下的抗蠕變和化學(xué)穩(wěn)定性。優(yōu)質(zhì)纖維復(fù)合的CMC有利于展示最高耐溫能力和源自其基體的力學(xué)性能，將作為航空發(fā)動機(jī)渦輪熱端部件發(fā)揮效能[2]。在噴氣發(fā)動機(jī)進(jìn)化史中，渦扇發(fā)動機(jī)材料耐溫能力平均每10年以10℃/50℉速度提升。而按照GE預(yù)測，未來10年單就CMC部件應(yīng)用一項(xiàng)，發(fā)動機(jī)耐溫能力就將改善66℃/150℉，效果相當(dāng)顯著[2]。

CMC面向航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用的研究積累

在纖維用于制備航空發(fā)動機(jī)構(gòu)件的選型上，美國做出了最為廣泛的研究。1994年，NASA的EPM（Enabling Propulsion Materials）項(xiàng)目選擇SiC /SiC作為HSCT（High Speed Civil Transport）發(fā)展的最佳材料系統(tǒng)，開展了SiC纖維、纖維涂層和基體組成的組合工藝優(yōu)化等研究。之后，CMC成為了航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)與制造商所青睞的航空發(fā)動機(jī)高溫部件（如渦輪靜子的導(dǎo)向葉片、渦輪轉(zhuǎn)子葉片、燃燒室和尾噴部件等）的重要候選材料，并取得突破性進(jìn)展[4]。

CMC的應(yīng)用在提高推重比、提高使用溫度、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面可帶來顯著效益。對于航空發(fā)動機(jī)長壽命CMC熱端部件的開發(fā)，世界各國家已競相投入資源展開研發(fā)。

從20世紀(jì)80年代中期開始，NASA就已開展CMC技術(shù)研究，從先進(jìn)高溫發(fā)動機(jī)材料技術(shù)（HITEMP）項(xiàng)目開始，實(shí)施過IHPTET、UEET、VAATE等大型項(xiàng)目，重點(diǎn)研究了先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)，其中用于航空發(fā)動機(jī)的CMC高溫部件是攻關(guān)重點(diǎn)[1]。

在IHPTET計(jì)劃第2階段的ATEGG驗(yàn)證機(jī)XTC76/3上，GE聯(lián)手Allison公司使用從EPM（Enabling Propulsion Material）項(xiàng)目中獲得的材料，開發(fā)并驗(yàn)證了Hi-Nicalon纖維（占40％）增強(qiáng)CMC燃燒室火焰筒。該燃燒室壁可耐溫1316℃/1589K，并與由Lamilloy結(jié)構(gòu)材料加工的外火焰筒一起組合成先進(jìn)的柔性燃燒室。IHPTET計(jì)劃第3階段在ATEGG驗(yàn)證機(jī)XTC77/1上，GE與Allison一道開發(fā)了CMC燃燒室3D模型，驗(yàn)證了空心葉片。燃燒室3D模型采用正交各向異性材料特性，改進(jìn)了熱力和應(yīng)力分析。與典型的鎳基高溫合金的靜子葉片相比，減重50%，冷卻空氣量減少20%[5]。

在IHPTET計(jì)劃第3階段的JTAGG（聯(lián)合渦輪先進(jìn)燃?xì)獍l(fā)生器）驗(yàn)證機(jī)XTC97上，霍尼韋爾（Honeywell）和GE公司考核驗(yàn)證了CMC高溫升燃燒室。該燃燒室在目標(biāo)油氣比下保持較小分布因子數(shù)據(jù)[5]。

在超高效發(fā)動機(jī)技術(shù)（UEET, Ultra Efficient Engine Technology）項(xiàng)目中，材料和結(jié)構(gòu)是其攻關(guān)重點(diǎn)。擬實(shí)現(xiàn)起飛與著陸距離縮短70%、NOx排放降低70%、油耗與成本下降8%～15%等目標(biāo)。而CMC作為燃燒室火焰筒和渦輪靜子葉片的關(guān)鍵材料，占材料和結(jié)構(gòu)研究總研制費(fèi)用近30%[1]。

通過多用途、經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)（VAATE）項(xiàng)目研究，開發(fā)和驗(yàn)證了CMC燃燒室等技術(shù)，基本實(shí)現(xiàn)“減排增效”目標(biāo)。GE公司在TECH56計(jì)劃下開發(fā)的CMC燃燒室，考核驗(yàn)證了提供較大溫升且冷氣用量減少等性能。

在GE公司角逐用于窄體客機(jī)的下一代發(fā)動機(jī)LEAP-X中，CMC將作為關(guān)鍵驗(yàn)證項(xiàng)目，同時(shí)也計(jì)劃在GEnx型號上采用陶瓷基復(fù)合材料燃燒室火焰筒。

在高速研究（HSR）項(xiàng)目中，EPM作為子項(xiàng)目，重點(diǎn)研究了CMC燃燒室火焰筒技術(shù);在1205℃/1478K、大于9000h的熱態(tài)壽命下，仍保持13.78MPa的應(yīng)力水準(zhǔn)；燃燒室扇形段試驗(yàn)已考核其具有200h，踐行了如下開發(fā)策略[6]。

（1）在代表飛機(jī)任務(wù)循環(huán)的工作狀態(tài)下進(jìn)行發(fā)動機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證1205℃/1478K條件下，CMC燃燒室火焰筒的耐久性；（2）提高CMC和EBC的耐溫能力，研制1482℃/1755K和1649℃/1922K體系，以大幅減少甚至取消燃燒室火焰筒的氣膜冷卻，進(jìn)而擴(kuò)展CMC的應(yīng)用范圍。目前，通過以下途徑，明顯提高CMC的耐溫能力，并開展熱態(tài)工作300~1000h下提高其承載能力研究條件：

（1）改進(jìn)工藝，減少或除去影響CMC蠕變性能的因素；（2）改進(jìn)SYLRAMICTM 纖維熱處理表面，提高抗蠕變性能；（3）采用類似于Hi-NicalonTM的SiC纖維；（4）通過優(yōu)化工藝，降低復(fù)合材料特性值分散度，在開發(fā)1482℃/1755K 用CMC基礎(chǔ)上，同時(shí)研發(fā)和驗(yàn)證1649℃/1922K CMC體系的可行性。

GE明確將CMC作為未來發(fā)展的核心技術(shù)，多年來持續(xù)投入和研發(fā)CMC工藝技術(shù)，通過合縱連橫開拓美國內(nèi)外的產(chǎn)學(xué)研資源，在CMC研究與應(yīng)用領(lǐng)域奠定了領(lǐng)導(dǎo)地位，作為標(biāo)桿值得后來者借鑒。為此，聯(lián)合法國SNECMA、日本IHI和德國MTU，開展大量協(xié)作和部件試制、考核試驗(yàn)，對CMC材料做了數(shù)千小時(shí)的測試，于2003年就已將CMC材料用在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)上，已服役超過48000h。從燃機(jī)用渦輪外環(huán)、燃燒室內(nèi)襯工程化應(yīng)用中，確認(rèn)CMC的技術(shù)成熟度已足以應(yīng)用到航空發(fā)動機(jī)核心部件。

GE公司報(bào)道了耐溫1205℃/2200°F、減重70%的CMC低壓渦輪導(dǎo)向葉片的關(guān)鍵性試驗(yàn)以及在F414軍用發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了CMC材料渦輪轉(zhuǎn)子葉片試驗(yàn)，擬應(yīng)用到GE9X發(fā)動機(jī)的高壓渦輪二級轉(zhuǎn)子葉片。

R-R聯(lián)合GE公司將CMC應(yīng)用于發(fā)動機(jī)F136（配裝F-35）的渦輪導(dǎo)向3級導(dǎo)葉上[7]，耐溫可達(dá)1200℃，重量比傳統(tǒng)高溫合金部件明顯減輕（大約只有鎳合金的1/3和鈦合金的1/2）[8]。

在FAA與NASA牽頭的CLEEN（Continuous Lower Energy, Emissions and Noise）項(xiàng)目中，波音公司承擔(dān)CMC聲學(xué)尾噴（Acoustic Nozzle），R-R公司則負(fù)責(zé)CMC 渦輪動葉外環(huán)組件（Turbine Blade Tracks）[9]。NASA在ERA（Environmentally Responsible Aviation）項(xiàng)目和其他航空發(fā)動機(jī)計(jì)劃中，在燃燒室、渦輪葉片和尾噴管等應(yīng)用CMC，以減少發(fā)動機(jī)油耗、NOx 排放和降低噪音。其中，R-R 承擔(dān)CMC 尾噴管的研制工作[10]。

GE公司在NASA的N+3先進(jìn)發(fā)動機(jī)項(xiàng)目中，對2030~2035年將投入運(yùn)營的高效安靜小型商用發(fā)動機(jī)也參與了預(yù)研。在該項(xiàng)目中，除整體碳纖維風(fēng)扇導(dǎo)向器/前機(jī)匣、復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣、全復(fù)合材料整體短艙等外，還包括采用新一代CMC的燃燒室、高壓渦輪葉片、低壓渦輪葉片和高壓渦輪外環(huán)和整流罩等研究[6]。

20世紀(jì)90年代，為解決上一代基體/纖維之間的熱解碳界面氧化損傷所造成的壽命短等問題，SNECMA公司研究了自愈合基體技術(shù)，開發(fā)出新一代SEPCARBINOXR A500和CERASEPR A410產(chǎn)品[5]。

NASA與美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）合作開展的CLEEN（Continuous Lower Energy，Emissions，and Noise）著重“持續(xù)降耗、減排和降噪”目標(biāo)，聚焦在結(jié)構(gòu)件和新技術(shù)以降低發(fā)動機(jī)油耗、排放和噪音。歷時(shí)5年在CMC渦輪導(dǎo)葉制備及聲學(xué)優(yōu)化尾噴嘴方面取得了技術(shù)進(jìn)步[9]。

2013年1月NASA利用R-R的Trent 1000發(fā)動機(jī)臺架加速試車考核了該CMC尾椎，如預(yù)期實(shí)現(xiàn)了73h，未發(fā)生熱或結(jié)構(gòu)應(yīng)力問題。

此外，P&W還聯(lián)合MTU和IHI（日本石川島播磨重工）開發(fā)新型發(fā)動機(jī)。

歐洲的陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)以法國的CVI和德國的熔滲硅（Liquid Silicon Infiltration，LSI）工藝為代表。其中法國SNECMA公司和美國合作，共同研發(fā)了推力矢量CMC密封調(diào)節(jié)片，并正式裝機(jī)，經(jīng)1000h考核均未發(fā)現(xiàn)破壞跡象；德國進(jìn)行了CMC燃燒室內(nèi)襯的對比試驗(yàn)，在Kl?ckner Humboldt Deutz T216型燃?xì)獍l(fā)動機(jī)經(jīng)10h試驗(yàn)后，CVD-SiC涂層C/SiC火焰燃燒室出現(xiàn)了C/SiC基材和涂層之間的分層剝落，而CVD-SiC涂層C/C火焰燃燒室未出現(xiàn)損壞，SiC/SiC火焰燃燒室則由于自身具有良好的抗氧化性能，經(jīng)受住90h的試驗(yàn)而無損壞。試驗(yàn)考核也表明：采用CVI工藝的 SiC/SiC的液體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室壁及噴嘴，可經(jīng)受累積高達(dá)24000秒點(diǎn)火考核和400次熱循環(huán)。

日本政府1989年通過執(zhí)行為期8年的“超大型耐環(huán)境先進(jìn)復(fù)合材料規(guī)劃”，其目的是確定以航天航空、能源為主的各領(lǐng)域所需的高溫環(huán)境下具有耐熱、高比強(qiáng)度、高比模量、耐氧化性等優(yōu)異性能先進(jìn)材料的基礎(chǔ)技術(shù)，開發(fā)成功SiC基CMC，一躍成為當(dāng)今通用級和尖端應(yīng)用級SiC纖維最大出口國，法國、美國等CMC用SiC纖維基本都依靠日本供應(yīng)。日本的兩家實(shí)驗(yàn)室、4家企業(yè)，從1999年參與ESPR項(xiàng)目研究，參與國外的PWA、GE、R-R和SNECMA等領(lǐng)先發(fā)動機(jī)供應(yīng)商組建建設(shè)的聯(lián)合隊(duì)伍，設(shè)計(jì)并試驗(yàn)了CMC燃燒室和渦輪部件。以IHI為代表的日本產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)分別在美、歐申請專利，介紹了陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用件的制備和應(yīng)用情況。他們采用CVI+PIP 工藝制備SiC/SiC火箭發(fā)動機(jī)推力室，并完成了熱試車考核，推力室的最高工作壁溫為1424℃。

俄羅斯CIAM也在瞄準(zhǔn)國際先進(jìn)，開展了CMC燃燒室部件的試制和考核工作。

渦輪葉片工作在燃燒室出口，是發(fā)動機(jī)中承受熱沖擊最嚴(yán)重的部件，其耐溫能力直接決定著高性能發(fā)動機(jī)推重比的提升。CMC對減輕渦輪葉片重量和降低渦輪葉片冷氣量意義重大。國外近期應(yīng)用目標(biāo)是尾噴管、火焰穩(wěn)定器、渦輪外環(huán)等；中期目標(biāo)在低壓渦輪靜子和轉(zhuǎn)子葉片、燃燒室、內(nèi)錐體等應(yīng)用；遠(yuǎn)期目標(biāo)在高壓渦輪靜子和轉(zhuǎn)子葉片、高壓壓氣機(jī)和導(dǎo)向葉片等應(yīng)用，顯示出明顯的減重效果、提高溫度、大幅減少冷卻氣量等，但是渦輪葉片的使用壽命尚短，有待深入研究[3]。

目前，多家國際研究機(jī)構(gòu)已成功研制出CMC渦輪葉片，美國和法國以推重比8~10航空發(fā)動機(jī)為演示驗(yàn)證平臺，對尾噴管、燃燒室和渦輪三大單元進(jìn)行了大量考核。

我國從20世紀(jì)80年代開始，就有張立同院士領(lǐng)導(dǎo)的西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，以及國防科大、中航復(fù)材和上海硅酸鹽研究所等先后跟蹤國際前沿啟動研發(fā)工作，在CMC基礎(chǔ)及應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)耕耘，技術(shù)與制造水準(zhǔn)躋身國際先進(jìn)行列，具備構(gòu)件研制、工程化和小批量生產(chǎn)能力，技術(shù)與國際水平相當(dāng)，在部分領(lǐng)域甚至領(lǐng)先于國際水平，工程產(chǎn)業(yè)化差距正在縮小。

綜上所述，為拓寬CMC在商用航空發(fā)動機(jī)熱端部件上的應(yīng)用，未來還需進(jìn)一步完善如下關(guān)鍵技術(shù)：高溫工況下穩(wěn)定的高性能陶瓷纖維、匹配良好的纖維防護(hù)涂層、批產(chǎn)成熟的CMC高致密度復(fù)合工藝、自愈合功能組織以及EBC涂層等。

CMC在商用航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)展

國外航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的復(fù)合材料正在從低溫向高溫，外部冷端向內(nèi)部熱端，軍機(jī)尾噴系統(tǒng)向商用渦輪、燃燒室方向推進(jìn)，顯示出相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。美國GE和法國SNECMA公司在CMC的研究及應(yīng)用領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，CFM公司更將CMC應(yīng)用作為未來核心競爭力來重點(diǎn)開發(fā)，已制備或通過試驗(yàn)的部件主要有：燃燒室內(nèi)襯、燃燒室火焰筒、噴口導(dǎo)流葉片、渦輪導(dǎo)向葉片、渦輪外環(huán)及尾噴相關(guān)部件等，奠定了CMC構(gòu)件邁向商用發(fā)動機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

美國在CMC應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域做了大量的研究積累工作，NASA和GE研制的CMC密封片/調(diào)節(jié)片已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，應(yīng)用到F100、F414、F110、F119等軍用發(fā)動機(jī)上，裝試燃燒室火焰筒的CMC內(nèi)襯也已通過全壽命考核驗(yàn)證，進(jìn)入應(yīng)用階段。有報(bào)導(dǎo)稱，GE 公司利用F414 軍用發(fā)動機(jī)開展CMC 材料渦輪轉(zhuǎn)子葉片的關(guān)鍵性試驗(yàn)，并明確將該CMC 應(yīng)用到下一代GE9X發(fā)動機(jī)高壓渦輪二級轉(zhuǎn)子上。

CFM應(yīng)用在LEAP-X發(fā)動機(jī)上的復(fù)合材料技術(shù)，除典型的3D編織碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）風(fēng)扇葉片和風(fēng)扇機(jī)匣（圖1），以及氧化物CMC尾椎外，就是CMC用在最具挑戰(zhàn)性的核心熱端部件。CFRP采用傳遞模塑（RTM）工藝制造；尾椎采用的是3M公司的Nextel610氧化鋁纖維增韌補(bǔ)強(qiáng)鋁硅酸鹽氧化物基體CMC。后者是現(xiàn)今為止最大的氧化物CMC部件，外部套環(huán)直徑約1.6m/5.25英尺、長度約1m/3英尺，位于其內(nèi)部的尾椎端到端部長約2.1m/7英尺，是CMC應(yīng)用領(lǐng)域具有標(biāo)志性成果。

商用航空發(fā)動機(jī)方面，法國SNECMA公司首開CFM56-C用CMC混氣錐應(yīng)用，耐溫超過700℃的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)減重35%。2011年啟動地面和飛行測試，已在空客A320上通過700個(gè)發(fā)動機(jī)循環(huán)，包括200h發(fā)動機(jī)試車和70h試飛，計(jì)劃于2014~2015年取得法國適航認(rèn)證，為空客A380、A400飛機(jī)提供引擎動力。

將CMC用于發(fā)動機(jī)，對以鎳基為主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)減重、減少冷氣用量，使油耗降低、燃燒性和持久性改善，使發(fā)動機(jī)運(yùn)行到更高推力、更高效率。發(fā)動機(jī)上高壓渦輪一級外環(huán)主要用來控制高壓渦輪葉片和機(jī)體的間隙，承受從發(fā)動機(jī)燃燒室出來的高溫高壓氣體，是整個(gè)發(fā)動機(jī)工作環(huán)境最惡劣的固定部件之一。如果采用傳統(tǒng)的鎳基合金外環(huán)，由于其耐溫不及CMC，需使用原本用來產(chǎn)生推力的高壓空氣進(jìn)行冷卻，分流了冷氣量，影響到發(fā)動機(jī)效率發(fā)揮。在LEAP-X發(fā)動機(jī)上應(yīng)用該CMC部件，每一CMC環(huán)塊單元重約1Kg，僅相當(dāng)于鎳基高溫合金的1/3，整個(gè)外環(huán)減重達(dá)數(shù)百磅，使得高壓渦輪效率和耐久性大幅提高，推力改善10%；此外還應(yīng)用了經(jīng)過驗(yàn)證的CMC低壓渦輪導(dǎo)向葉片，采用了新氣動設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和減震機(jī)構(gòu)，重量為傳統(tǒng)合金件的1/2以下，耐溫1200℃以上，且無需冷卻，便于成形加工。LEAP-X發(fā)動機(jī)的涵道比達(dá)10~11，相當(dāng)于CFM56發(fā)動機(jī)的兩倍，CFRP和CMC復(fù)合材料的應(yīng)用，更有效地降低噪聲并提高推進(jìn)效率。據(jù)CFM公司消息，已完成多臺核心機(jī)、驗(yàn)證機(jī)的考核工作，測試考核超過兩萬多小時(shí)，部件性能結(jié)果超過預(yù)期，LEAP-X發(fā)動機(jī)擬于2016年裝配商用客機(jī)首飛。

復(fù)合材料在現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用數(shù)量日益增多，GE公司在此領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。該公司率先應(yīng)用復(fù)合材料技術(shù)在新一代商用發(fā)動機(jī)GE90上，實(shí)現(xiàn)了更輕、燃油效率更高，風(fēng)扇葉片在服役中表現(xiàn)優(yōu)異，運(yùn)轉(zhuǎn)效率更高、噪聲更低等性能方面取得成功，隨后在GEnx發(fā)機(jī)和LEAP-X發(fā)動機(jī)上應(yīng)用了更多的復(fù)合材料。

波音研究與技術(shù)中心開發(fā)的聲學(xué)噴嘴可提升發(fā)動機(jī)性能至更靜、更輕和更高效。噴嘴按設(shè)計(jì)要求壽命需達(dá)到55000h，模擬預(yù)測表明持續(xù)服役時(shí)間會超過預(yù)定指標(biāo)[7]。

R-R通過收購的位于美國加州的Hyper-Therm HTC Inc.公司，CMC生產(chǎn)C/SiC和SiC/SiC，寄希望對現(xiàn)有單純依靠高溫合金單晶葉片的發(fā)動機(jī)在重量和性能上帶來變革[7]。

P&W當(dāng)前出于“成本與可靠性”考量，主要聚焦在“先進(jìn)冷卻”技術(shù)的突破，也將CMC具有的提高燃油效率的潛在能力列入其發(fā)展目標(biāo)。

SNECMA公司生產(chǎn)的密封/調(diào)節(jié)片已裝機(jī)使用10余年，結(jié)果表明其抗疲勞性能優(yōu)于高溫合金，減重50%。基于連續(xù)纖維增韌補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的優(yōu)良特性，在新一代的LEAP-X中型發(fā)動機(jī)采用CMC低壓渦輪，提高其耐熱性，實(shí)現(xiàn)了輕量化。

IHI通過推進(jìn)CMC技術(shù)工藝開發(fā)，承制了新一代CMC低壓渦輪導(dǎo)向葉片高溫部件，耐溫可達(dá)1300℃，加之減重效果，發(fā)動機(jī)的燃效有望進(jìn)一步提高10％，計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn)商用，作為空客A320neo的后續(xù)換發(fā)，以及有望于2019年投放市場的波音777后續(xù)機(jī)型上應(yīng)用。

目前，美國和法國以推重比8~10航空發(fā)動機(jī)為演示驗(yàn)證平臺，對渦輪、燃燒室和噴管進(jìn)行了大量考核。據(jù)悉，美國研制的燃燒室構(gòu)件已通過工程驗(yàn)證，最高考核溫度為1200℃，累積考核時(shí)間達(dá)15000h。通過了全壽命5000h和高溫段500h測試，即將進(jìn)入應(yīng)用階段。美、法作為CMC應(yīng)用到航空發(fā)動機(jī)的先進(jìn)國，在長達(dá)30多年的研發(fā)及應(yīng)用實(shí)踐中，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，已達(dá)到相當(dāng)高的技術(shù)水準(zhǔn)，形成了較為完備的工業(yè)技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)配套能力。

GE公司已將CMC列為其未來發(fā)展的核心技術(shù)之一。就像此前將GEnx的新技術(shù)應(yīng)用到CF6發(fā)動機(jī)上一樣，隨著CMC技術(shù)進(jìn)步，也將逐步應(yīng)用在配套波音787和747-8的GEnx發(fā)動機(jī)上，并在GE和CFM的新一代發(fā)動機(jī)上全面推廣。隨著NASA的N+3先進(jìn)發(fā)動機(jī)項(xiàng)目成果的實(shí)施，復(fù)合材料的應(yīng)用將達(dá)到一個(gè)新的水平。據(jù)悉，國外的CMC材料已成功應(yīng)用到高推重比的軍用航空發(fā)動機(jī)燃燒室中。GE公司堅(jiān)信，如同樹脂基復(fù)合材料在“夢想”787應(yīng)用引起的技術(shù)革新一樣，應(yīng)用于發(fā)動機(jī)熱端部位的CMC也會引領(lǐng)商用發(fā)動機(jī)材料技術(shù)新的進(jìn)化。

經(jīng)過30多年的不懈努力，CMC已在航天運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)件、航空軍機(jī)整流和尾噴系統(tǒng)獲得良好的應(yīng)用，在商用航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用研發(fā)也初見成效。通過復(fù)合材料的應(yīng)用，近50年來商用飛機(jī)的油耗指標(biāo)幾乎下降了1/2。隨著各國爭先對工藝技術(shù)研發(fā)的重視，以及對批產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)化投資的擴(kuò)大，CMC商用的爆發(fā)增長拐點(diǎn)已經(jīng)到來。

在CMC研發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域，我國與國際先進(jìn)水平相比仍存較大差距，在技術(shù)成熟度提升、工程化和產(chǎn)業(yè)化方面尚需努力，致力自主創(chuàng)新，必須在工程化階段破解好“五化“工程應(yīng)用技術(shù)課題：一體化、純凈化、致密化、平滑化和梯度化挑戰(zhàn)，夯實(shí)CMC應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)部件批產(chǎn)化基礎(chǔ)，構(gòu)建CMC產(chǎn)品“材料-工藝-設(shè)計(jì)”一體化能力，從結(jié)構(gòu)、功能和表面完整性等方面確保長壽命和高可靠性的產(chǎn)品早日走向商用。

CMC面向商用航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

CMC作為一種新型材料，通過相應(yīng)的新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用到商用航空發(fā)動機(jī)制造時(shí)，需要進(jìn)行大量實(shí)測評估、試驗(yàn)考核，以確保產(chǎn)品的安全和可靠性、滿足適航要求。

美國的CMC應(yīng)用領(lǐng)先離不開諸多創(chuàng)新型高科技企業(yè)的支撐，諸如以MATECH、ATK和COI Ceramics Inc.等高科技企業(yè)作為創(chuàng)新主體的CMC產(chǎn)業(yè)鏈初具規(guī)模。

研發(fā)力求穩(wěn)定CMC性能和增加陶瓷纖維（氧化物和非氧化物）產(chǎn)量，各供應(yīng)商基于成熟的定型工藝，已從全尺寸的演示、試制件考核中獲得良好的評價(jià)結(jié)果。

作為新的發(fā)動機(jī)用材，基于CMC風(fēng)險(xiǎn)因素考量，CFM先期僅在固定部件上應(yīng)用，現(xiàn)有技術(shù)成熟度可滿足固定部件的可靠性要求，未來CMC材料還將用在發(fā)動機(jī)的更多部件上。CMC還存在若干阻礙其商用推廣的問題需要解決：

首先，CMC材料性能數(shù)據(jù)短缺、設(shè)計(jì)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足，需要開發(fā)特定應(yīng)用環(huán)境下壽命評估方法的及必要的軟件工具。

由于纖維增強(qiáng)CMC結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有很大的隨機(jī)性，作為航空發(fā)動機(jī)的高溫部件無法采用常規(guī)金屬部件慣用的安全系數(shù)等確定性設(shè)計(jì)方法，有必要采用概率設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行可靠性分析。同時(shí)，還要重視CMC材料標(biāo)準(zhǔn)、性能數(shù)據(jù)、壽命評估方法與工具等體系方面的積累，建設(shè)基于CMC數(shù)據(jù)庫支撐的評價(jià)方法，形成一套完整、經(jīng)過驗(yàn)證的CMC適航符合性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)體系。

依據(jù)中國民用航空發(fā)布的新版《航空發(fā)動機(jī)適航規(guī)定》[11]，CMC作為商用航空發(fā)動機(jī)用用的新材料，需要滿足第33.15條的規(guī)定：發(fā)動機(jī)所用材料的適用性和耐久性必須滿足下列要求：（1）建立在經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)的基礎(chǔ)上；（2）符合經(jīng)批準(zhǔn)的規(guī)范（如工業(yè)或軍用規(guī)范），保證這些材料具有設(shè)計(jì)資料（數(shù)據(jù)）中采用的強(qiáng)度和其他性能。

其次，CMC 部件的制造費(fèi)用仍高出傳統(tǒng)高溫合金數(shù)倍，成本偏高，需在確保質(zhì)量的前提下，實(shí)施精益制造，改進(jìn)加熱溫度、升溫時(shí)間、降溫周期等來控制工藝各周期中化學(xué)組分的變化，通過縮短循環(huán)周期等優(yōu)化批量生產(chǎn)工藝來有效降低成本，實(shí)現(xiàn)最佳效益。今后，如何運(yùn)用CMC提高航空發(fā)動機(jī)性價(jià)比，是在商用航空發(fā)動機(jī)普及應(yīng)用該先進(jìn)材料的一大挑戰(zhàn)。

再則，發(fā)動機(jī)構(gòu)件工況苛刻，某些部件需暴露于高溫、氧化、冷熱沖擊循環(huán)中，還需承受水汽、氧和燃燒固體顆粒的侵蝕；若在海上飛行，還要承受海鹽的侵蝕，燃燒室還需耐受由富含燃燒副產(chǎn)物氯化鹽和硫酸鹽等所引起的加速氧化等考驗(yàn)。

此外，CMC的表面完整性精細(xì)加工也應(yīng)引起足夠重視。因?yàn)镾iC的硬度接近金剛石，工業(yè)上常用作磨料或刀具來加工其他材料，所以需采用堅(jiān)硬的金剛石來研磨，近年來借助脈沖激光手段加工精細(xì)微孔等漸受青睞。

還有需要引起重視的關(guān)聯(lián)技術(shù)，就是CMC與金屬間的聯(lián)結(jié)和結(jié)構(gòu)完整性（Joining and Integration）工藝探索，隨著擴(kuò)散連接（焊）（Diffusion bonding）、高溫耐久釬焊（Brazing）的進(jìn)步，必將開拓以金屬骨架接合CMC結(jié)構(gòu)為代表部件的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域。

國際同行普遍認(rèn)為，CMC是發(fā)動機(jī)高溫結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)制高點(diǎn)之一，技術(shù)門檻高、投入大，通常反映所在國航空裝備設(shè)計(jì)和制造能力的頂尖水準(zhǔn)。目前僅有美國、法國等少數(shù)國家掌握高性能SiC纖維和致密化CMC的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。

GE旗下的航空業(yè)務(wù)集團(tuán)已計(jì)劃在GE9X燃燒室襯套、高壓渦輪噴嘴、外環(huán)和渦輪葉片這些熱端部件上使用CMC材料；相應(yīng)地，LEAP系列發(fā)動機(jī)也能從GE9X項(xiàng)目中借鑒諸多寶貴的工程化和產(chǎn)品化經(jīng)驗(yàn)。

盡管當(dāng)年GE90發(fā)動機(jī)上采用寬弦葉片也廣被質(zhì)疑，最終是通過實(shí)踐證明了其正確的選擇。GE方面已經(jīng)為CMC材料進(jìn)行過大量測試，與風(fēng)扇葉片從金屬材料轉(zhuǎn)到樹脂基復(fù)合材料所付出的時(shí)間等考驗(yàn)相類似，轉(zhuǎn)向CMC的應(yīng)用同樣需要花費(fèi)相應(yīng)的代價(jià)來證明，允許人們從中建立起對CMC安全可靠應(yīng)用的信念。出于風(fēng)險(xiǎn)控制的考量，現(xiàn)階段CMC還只能應(yīng)用在固定部件上。基于已有的數(shù)據(jù)有理由相信，隨著研究深入和科技進(jìn)步，穩(wěn)固而扎實(shí)的創(chuàng)新將漸趨完美地發(fā)揮出CMC的優(yōu)異特性，未來勢必開拓出更多商用航空發(fā)動機(jī)核心部件上的新應(yīng)用。

國內(nèi)商用發(fā)動機(jī)由中航工業(yè)商發(fā)作為主承制商，牽頭實(shí)施國家級商用發(fā)動機(jī)研發(fā)項(xiàng)目，負(fù)責(zé)組織國內(nèi)外產(chǎn)、學(xué)、研優(yōu)勢資源，通過強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、協(xié)同攻關(guān)拓展國際國內(nèi)合作空間，為渦輪靜子件、浮動瓦塊應(yīng)用掃清路障，逐步夯實(shí)CMC工程化、產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用基礎(chǔ)。

結(jié)束語

來自GE公司官方的預(yù)測：未來10年對CMC的需求將遞增10倍。據(jù)此，為應(yīng)對CMC部件需求增長帶來的產(chǎn)能壓力，2013年6月GE投資1.25億美金，在美國北卡羅萊納州的阿什維爾建設(shè)1.16萬m2的生產(chǎn)基地，用以支撐LEAP-X發(fā)動機(jī)CMC部件的量產(chǎn)，也為日后GE9X發(fā)動機(jī)供應(yīng)所需CMC批產(chǎn)部件，并將逐步應(yīng)用到為波音787和747-8提供動力的GEnx上，以及在CFM的新一代LEAP發(fā)動機(jī)上全面推廣。

為確保高端SiC纖維的供應(yīng)，2012年4月GE還攜手SNECMA對外發(fā)布，將聯(lián)合日本碳素公司（Nippon Carbon）合資成立NGS公司（NGS Advanced Fibers Co.Ltd.），生產(chǎn)和銷售“Nicalon”品牌SiC連續(xù)纖維，以確?！皟蓮?qiáng)”對CMC關(guān)鍵原材料SiC纖維的持續(xù)供應(yīng)能力。

GE正努力將CMC應(yīng)用到發(fā)動機(jī)的各種部件，包括渦輪葉片升級用到F414中，預(yù)計(jì)到2016~2018年間將日產(chǎn)800個(gè)CMC成品部件，以兌現(xiàn)大力拓展CMC發(fā)動機(jī)部件應(yīng)用的承諾。

CFM準(zhǔn)備從2016年開始由CFM56的生產(chǎn)逐漸過渡到LEAP-X發(fā)動機(jī)，到2020年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)1700臺發(fā)動機(jī)。為實(shí)現(xiàn)這一產(chǎn)能需求，計(jì)劃投資7.5億美元，在美國密西西比州埃利斯維爾新建和擴(kuò)建廠房，總面積擴(kuò)至139350m2，用于量產(chǎn)CMC材料部件。

CMC在國外航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用已取得一定的應(yīng)用成就，國內(nèi)的技術(shù)成熟度和制造成熟度還不夠高，工藝技術(shù)尚待優(yōu)化完善，離滿足適航審定要求差距明顯。要想早日投入應(yīng)用，還須不斷優(yōu)化CMC制造工藝，探索科學(xué)的概率設(shè)計(jì)方法，掌握該材料服役行為規(guī)律，解決高溫服役工況條件下的耐久性和安全可靠性等問題。

面向國產(chǎn)商用航空發(fā)動機(jī)對CMC熱端部件的需求，出于風(fēng)險(xiǎn)可控因素考量，參照國際同行經(jīng)驗(yàn)，在技術(shù)成熟度基本滿足固定部件可靠性要求的前提下，優(yōu)先發(fā)展高壓渦輪外環(huán)、渦輪導(dǎo)向葉片和燃燒室內(nèi)襯等熱端固定件上應(yīng)用CMC材料，隨著研究的進(jìn)一步深入，再逐漸拓展到包括渦輪轉(zhuǎn)子等更多發(fā)動機(jī)部件的應(yīng)用。在航空發(fā)動機(jī)用CMC構(gòu)件的研制與應(yīng)用考核方面，可參考如下原則循序漸進(jìn)：

（1）先易后難（先靜子件后轉(zhuǎn)子件、先低溫件后高溫件、先簡單件后復(fù)雜件的原則）發(fā)展，充分進(jìn)行發(fā)動機(jī)驗(yàn)證平臺的考核評測；

（2）優(yōu)先發(fā)展中溫（700~1000℃）和中等載荷（低于120MPa）靜子件（如尾噴管/內(nèi)錐體構(gòu)件）；

（3）在積累基礎(chǔ)上發(fā)展高溫（1000~1300℃）和中等載荷靜子件（如渦輪外環(huán)、導(dǎo)向葉片及燃燒室內(nèi)襯等）；

（4）更高載荷（高于120MPa）靜子或轉(zhuǎn)子件（如渦輪轉(zhuǎn)子和整體葉盤等）。

同時(shí)，為促進(jìn)CMC國內(nèi)自主配套產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟的形成和完善，可參照國外合資參股、風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)、利益共享（Risk and Revenue Sharing Partner，RRSP）等混合經(jīng)濟(jì)模式成長，致力建成“材料-工藝-設(shè)計(jì)”一體化專業(yè)能力，加速貫通CMC制品的批量制造產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，全面滿足國產(chǎn)商用航空發(fā)動機(jī)用CMC部件產(chǎn)品要求，以優(yōu)良性價(jià)比的產(chǎn)品參與國際的市場分工和商業(yè)競爭，以不斷成長壯大。

本文共有參考文獻(xiàn)11篇，因篇章有限，未能一一列出，如有需要，請向本刊編輯部索取。

（作者 中航商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司 高鐵 洪智亮 楊娟

責(zé)編 良辰）

第二篇：陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展及其在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展及其在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

摘要：綜述了陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)的研究進(jìn)展。就CMCs的增韌機(jī)理、制備工藝和其在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)展作了詳細(xì)介紹。闡述了CMCs研究和應(yīng)用中存在的問題。最后，指出了CMCs的發(fā)展目標(biāo)和方向。關(guān)鍵詞：陶瓷基復(fù)合材料；航空發(fā)動機(jī)；增韌機(jī)理；制備工藝

The Research Development of Ceramic Matrix Compositesand

Its Application on Aeroengine Abstract:The development

and

research

status

of

ceramic

matrix compositeswerereviewed in this paper.The main topics include the toughening mechanisms, the preparation progressand the application on aeroengine were introduced comprehensively.Also, the problems in the research and application of CMCswere presented.Finally, the future research aims and directions were proposed.Keywords: Ceramic matrix composites, Aeroengine, Fiber toughening,Preparation progress

1引言

推重比作為發(fā)動機(jī)的核心參數(shù)，其直接影響發(fā)動機(jī)的性能，進(jìn)而直接影響飛機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。高推重比航空發(fā)動機(jī)是發(fā)展新一代戰(zhàn)斗機(jī)的基礎(chǔ)，提高發(fā)動機(jī)的工作溫度和降低結(jié)構(gòu)重量是提高推重比的有效途徑[1]?，F(xiàn)有推重比10一級的發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到了1500~1700℃，如M88-2型發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1577℃，F(xiàn)119型發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1700℃左右，而推重比15~20一級發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度將達(dá)到1800~2100℃，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了發(fā)動機(jī)中高溫合金材料的熔點(diǎn)溫度。目前，耐熱性能最好的鎳基高溫合金材料工作溫度達(dá)到1100℃左右，而且必須采用隔熱涂層，同時(shí)設(shè)計(jì)先進(jìn)的冷卻結(jié)構(gòu)。在此需求之下，迫切需要發(fā)展新一代耐高溫、低密度、低膨脹、高性能的結(jié)構(gòu)材料[2]。在各類型新型耐高溫材料中，陶瓷基復(fù)合材料(CeramicMatrixComposites,CMCs)材料具有高的熔點(diǎn)、剛度、硬度和高溫強(qiáng)度，并且抗蠕變，疲勞性能好。其不僅克服了金屬材料密度高和耐溫低，而且克服了結(jié)構(gòu)陶瓷脆性大和可靠性差，碳/碳復(fù)合材料抗氧化性差和強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，尤其作為航空航天發(fā)動機(jī)需要承受極高溫度的特殊部位的結(jié)構(gòu)用材料具有很大潛力[3,4]。

CMCs是以陶瓷材料為基體，以陶瓷纖維、晶須、晶片或顆粒為補(bǔ)強(qiáng)體，通過適當(dāng)?shù)膹?fù)合工藝制備且性能可設(shè)計(jì)的一類新型材料，又稱為多相復(fù)合陶瓷(MultiphaseCompositeCeramic)，包括纖維(或晶須)增韌陶瓷基復(fù)合材料、異相顆粒彌散強(qiáng)化復(fù)相陶瓷、原位生長陶瓷復(fù)合材料、梯度功能復(fù)合陶瓷及納米陶瓷復(fù)合材料[5]。本文主要介紹連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料保留了陶瓷材料耐高溫、抗氧化、耐磨耗、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，充分發(fā)揮陶瓷纖維增強(qiáng)增韌作用，克服了陶瓷材料斷裂韌性低和抗外部沖擊載荷性能差的先天缺陷。相比合金基復(fù)合材料，CMCs工作溫度高達(dá)1650℃，不僅可以通過減少冷卻氣流，提高渦輪熱效率，而且降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和制造難度。此外，CMCs密度約為耐高溫鎳基合金的1/4~1/3，鎢基合金的1/10~1/9，可以大大減輕發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低油耗的同時(shí)提高推重比。

2CMCs國內(nèi)外研究進(jìn)展

70代初，由于認(rèn)識到單體碳化硅、氮化硅等陶瓷材料的性能還較難實(shí)現(xiàn)高溫?zé)釞C(jī)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)，J.Aveston在纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料基礎(chǔ)上，首次提出了纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(FRCMCs)的概念[6]。八十年代以來，高模量高強(qiáng)碳纖維、氧化鋁纖維和抗高溫氧化性能良好的碳化硅纖維的出現(xiàn)，以及性能優(yōu)越且低成本的SiC晶須的商業(yè)化生產(chǎn)，使纖維及須增韌陶瓷復(fù)合材料等一躍成為令人矚目的新材料[7]。1973年，LevittS.R.首次以LAS玻璃為基體材料制得了高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)玻璃基復(fù)合材料[8]。80年代中期，E.Fitzer等[9]和P.J.Lamicq等[10]將化學(xué)氣相沉積(ChemicalVaporDeposition,CVD)工藝引入FRCMCs的制備中，制得了高性能的碳化硅纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料，從而全面推動了FRCMCs的研究工作。在當(dāng)時(shí)，美國已有很多研究單位從事陶瓷基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用工作，其中有UTRC、OakRidge國家實(shí)驗(yàn)室、伊利諾斯大學(xué)、MIT、福特汽車公司等。此外，美國NASA制定的先進(jìn)高溫?zé)釞C(jī)材料計(jì)、DOE/NASA的先進(jìn)渦輪技術(shù)應(yīng)用計(jì)劃(ATTAP)、美國國家宇航計(jì)劃(NASP)都把高溫結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料作為重點(diǎn)研究對象，其研制目標(biāo)是將發(fā)動機(jī)熱端部件的使用溫度提高到1650℃或更高[11]，從而提高發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度，達(dá)到節(jié)能、減重、提高推重比和延長壽命的目的，滿足軍事和民用熱機(jī)的需要。日本對這種高性能結(jié)構(gòu)材料也極其重視，大阪工業(yè)技術(shù)研究所，東京工業(yè)大學(xué)和日產(chǎn)、三菱等汽車公司進(jìn)行了陶瓷復(fù)料及其結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究[12]。1972年，我國上海硅酸鹽研究所率先開展此項(xiàng)研究，經(jīng)較廣泛地搜探各種可能的纖維或晶須與陶瓷基體在化學(xué)上的相容性之后，首先選擇了碳纖維補(bǔ)強(qiáng)石英作為研究對象，研制成功相應(yīng)的復(fù)合材料[13]。此后，航空材料所、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)等相繼開展了各種陶瓷基復(fù)合材料的研究工作。

目前，世界各國尤其是美國、日本、歐共體國家等都對CMCs的制備工藝及增韌機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，并取得了一些重要成果。已經(jīng)制備和通過試驗(yàn)的航空發(fā)動機(jī)CMCs構(gòu)件主要有：燃燒室內(nèi)襯套(combustorliner)、燃燒室筒(Combustorcan)、翼或螺旋槳前緣(leadingedge)、噴口導(dǎo)流葉片(guidevane)、渦輪葉片(turbinevane)、渦輪殼環(huán)(turbineshroudring)等[14,15]。在CMCs的研究中，研究最多的主要是纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，主要包括碳纖維增強(qiáng)碳化硅(Cf/SiC)、碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅(SiCf/SiC)以及氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料[16,17]。

國外學(xué)者Schneider等[18]對莫來石纖維增強(qiáng)莫來石CMCs進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，已能制備和加工異形復(fù)雜構(gòu)件，制備的燃燒室隔熱瓦已通過模擬試驗(yàn)。Carellie等[19]對多孔氧化物CMCs的研究較為深入，利用陶瓷漿料浸漬-纏繞工藝制備的Nextel720纖維增強(qiáng)的多孔莫來石和氧化鋁CMCs的室溫拉伸強(qiáng)度約為149MPa，1200℃處理1000h后強(qiáng)度保留率高達(dá)97.3%。Kikuo等[20]通過泥漿浸漬/熱壓法制備Cf/SiC復(fù)合材料。在真空條件下，其室溫彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性分別為420MPa和13MPa·m1/2；在1400～1600℃時(shí)分別為600MPa和20MPa·m1/2，由于斷裂轉(zhuǎn)移和界面結(jié)合減弱導(dǎo)致纖維拔出的增加，高溫下材料的力學(xué)性能得以提高。EricP.bouillon等[21]分別用Cf/Si-C-B和SiCf/Si-C-B材料制備了6個(gè)噴管密封片，并在F100-PW-229發(fā)動機(jī)加力狀態(tài)下做了600h和1000h試驗(yàn)，構(gòu)件沒有破壞。

由于工藝和原料的限制以及技術(shù)保密等原因，國內(nèi)關(guān)于CMCs應(yīng)用的公開報(bào)道較少，大多處于試驗(yàn)探究階段。肖鵬等[22]制備的C/C-SiC復(fù)合材料在中等能載(1.5kJ/cm2)條件下摩擦系數(shù)較高，磨損量較低，具有優(yōu)良的摩擦磨損性能。為提升連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CMCs-SiC)的抗氧化性，徐永東等人[23,24]制備三維碳/碳化硅復(fù)合材料，測試了的組織與力學(xué)性能，驗(yàn)證了其組織自愈合機(jī)制，探究涂層表面缺陷的影響以及生成的氧化物薄膜厚度的時(shí)間的關(guān)系。梅輝[25]，郭洪寶[26]等報(bào)道了有關(guān)三維和二維編制Cf/SiC復(fù)合材料的拉壓性能和斷裂韌性研究的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩者均表明，Cf/SiC復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能。此外，國防科技大學(xué)陳朝輝課題組[27]采用PIP工藝制備的Cf/SiC復(fù)合材料于2005年成功通過液體火箭發(fā)動機(jī)熱試車考核，產(chǎn)品性能優(yōu)異，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)與應(yīng)用。

3CMCs的增韌機(jī)理[28,29]

為改善陶瓷材料的力學(xué)性能，特別是脆性，CMCs采取的增韌形式主要有相變增韌、顆粒彌散增韌和纖維增韌。在CMCs的幾種增韌形式中，由于通常采用的ZrO2相變增韌陶瓷在高溫(900℃以上)時(shí)會失去相變增韌的作用，顆粒(微米級)增韌陶瓷的效果目前仍比較有限，較難滿足航空發(fā)動機(jī)的高溫環(huán)境。相比之下，纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料表現(xiàn)出更為優(yōu)異的耐高溫以及力學(xué)性能。因此，本文主要探究FRCMCs的增韌機(jī)理。

陶瓷材料斷裂過程的實(shí)質(zhì)是表面能增加的過程，F(xiàn)RCMCs斷裂時(shí)通過纖維拔出、橋聯(lián)、脫粘和斷裂，以及裂紋的微化、彎曲、偏轉(zhuǎn)等方式提升其斷裂時(shí)表面能增量，從而使其韌性得到很大提高，圖1為FRCMCs增韌機(jī)制示意圖。

圖1FRCMCs增韌機(jī)制示意圖

Fig.1Schematicdiagramoftoughening mechanismofFRCMCs 在上述幾種斷裂機(jī)制中，纖維拔出是FRCMCs的最主要增韌機(jī)制，通過纖維拔出過程的摩擦耗能，使復(fù)合材料的斷裂功增大，纖維拔出過程的耗能取決于纖維拔出長度和脫粘面的滑移阻力，滑移阻力過大，纖維拔出長度較短，增韌效果不好，如果滑移阻力過小，盡管纖維拔出較長，但摩擦做功較小，增韌效果也不好，反而強(qiáng)度較低。

纖維拔出長度取決于纖維強(qiáng)度分布、界面滑移阻力。因此，在構(gòu)組纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)該考慮:纖維的強(qiáng)度和模量高于基體，同時(shí)要求纖維強(qiáng)度具有一定的Weibull分布；纖維與基體之間具有良好的化學(xué)相容性和物理性能匹配；界面結(jié)合強(qiáng)度適中，既能保證載荷傳遞，又能在裂紋擴(kuò)展中適當(dāng)解離，又能有較長的纖維拔出，達(dá)到理想的增韌效果。

4CMCs的制備工藝

增強(qiáng)體發(fā)揮其增韌機(jī)制的程度與復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)有關(guān)，如增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)、基體的致密度、界面的結(jié)合強(qiáng)度以及氣孔的體積分?jǐn)?shù)等，而這些結(jié)構(gòu)的狀態(tài)均由制備工藝決定。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，適于制備陶瓷基復(fù)合材料的方法[30]有：泥漿浸漬熱壓法(Slurryinfiltrationandhotpressing,SIHP)，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法(PrecursorInfiltrationPyrolysis,PIP)、化學(xué)氣相滲透法(ChemicalVaporInfiltration, CVI)、反應(yīng)熔滲法(ReactiveMeltInfiltration,RMI)。

(1)泥漿浸漬熱壓法 泥漿浸漬熱壓法是將目標(biāo)陶瓷的粉體制成泥漿，然后引入至纖維預(yù)制件中，得到連續(xù)碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。其主要工藝是將纖維浸漬泥漿后進(jìn)行制成無緯布，經(jīng)切片、疊加、熱模壓成型和熱壓燒結(jié)后，獲得致密化的復(fù)合材料，主要用于制備單向纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，過程示意圖如圖2所示。該工藝簡單，成本較低。但熱壓工藝容易使纖維造成損傷，降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能。此外，該工藝需要較高的燒結(jié)溫度，對設(shè)備要求高，且不適合制備形狀復(fù)雜的構(gòu)件。

圖2泥漿浸漬熱壓法過程示意圖 Fig.2SchematicdiagramofprocessofSIHP(2)先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法

先驅(qū)體轉(zhuǎn)化方法[31]是以有機(jī)聚合物先驅(qū)體溶解或熔化后，在真空或氣壓的作用下浸漬到纖維預(yù)制體內(nèi)部，然后經(jīng)交聯(lián)固化后高溫裂解轉(zhuǎn)化為目標(biāo)陶瓷的過程。先驅(qū)體在交聯(lián)固化和裂解過程中，小分子逸出會使基體發(fā)生較大地收縮，導(dǎo)致材料的微結(jié)構(gòu)不致密，并伴有裂紋出現(xiàn)；受先驅(qū)體轉(zhuǎn)化率的限制，為了獲得密度較高的陶瓷基復(fù)合材料，必須經(jīng)過反復(fù)浸漬熱解，工藝成本較高；很難獲得高純度和化學(xué)計(jì)量的陶瓷基體，且先驅(qū)體本身可選擇的種類有限。據(jù)此，該工藝可與其他工藝聯(lián)用，來克服這些缺點(diǎn)。如PIP與CVI聯(lián)用制備二維C/ZrC-SiC復(fù)合材料[32]，以及PIP與CVD聯(lián)用快速實(shí)現(xiàn)C/SiC材料的致密化[33]，但與RMI工藝的聯(lián)用少有報(bào)道。(3)化學(xué)氣相滲透法

CVI法起源于20世紀(jì)60年代中期，是在化學(xué)氣相沉積法(ChemicalVaporDeposition,CVD)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的制備陶瓷基復(fù)合材料的新方法[34]。其基本工藝過程是：將碳纖維預(yù)制體置于CVI爐中，源氣（即與載氣混合的一種或數(shù)種氣態(tài)先驅(qū)體）通過擴(kuò)散或由壓力差產(chǎn)生的定向流動輸送至預(yù)成型體周圍后向其內(nèi)部擴(kuò)散，在纖維表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并原位沉積。過程示意圖如圖3所示。CVI工藝的突出優(yōu)點(diǎn)是可在遠(yuǎn)低于基體材料熔點(diǎn)的溫度下合成陶瓷基體，降低纖維與基體間的高溫化學(xué)反應(yīng)帶來的纖維性能下降。但由于CVI工藝的反應(yīng)是以氣相形式發(fā)生的，氣體在預(yù)制體內(nèi)部各部位的沉積速度不一致，易形成密度梯度；反應(yīng)涉及反應(yīng)化學(xué)、熱力學(xué)、動力學(xué)及晶體生長等多方面內(nèi)容，過程非常復(fù)雜；材料的致密化速度低，制備周期長，工藝成本高。

圖3CVI工藝過程示意圖 Fig.3SchematicdiagramofprocessofCVI(4)反應(yīng)熔滲法

反應(yīng)熔滲法是在20世紀(jì)80年代，德國Firzer[35]首先用液Si浸漬C/C多孔體制備C/C-SiC多相復(fù)合材料進(jìn)而發(fā)展起來的復(fù)合材料制備工藝。工藝包括三個(gè)基本過程：首先將碳纖維預(yù)制件放入密閉的模具中，采用高壓沖型或樹脂轉(zhuǎn)移模工藝制備纖維增韌聚合物材料；然后在高溫惰性環(huán)境中裂解，得到低密度碳基復(fù)合材料；最后采用熔體Si在真空下通過毛細(xì)作用進(jìn)行浸滲處理，使Si熔體與碳基體反應(yīng)生成SiC基體，過程示意圖如圖4所示。該工藝最大的優(yōu)點(diǎn)為能夠通過一次成型制備致密且基本無缺陷的基體，而且預(yù)成型件與構(gòu)件之間結(jié)構(gòu)尺寸變化較小，被認(rèn)為是快速、低成本制備近凈成型復(fù)雜形狀構(gòu)件的有效途徑?？煽氐幕w物質(zhì)包含ZrC、HfC、TiC、TaC、NbC及Zr-Si-C、Hf-Si-C、Ti-Si-C等碳化物的混合物，在制備纖維增強(qiáng)瓷基復(fù)合材料方面優(yōu)勢明顯[36]。

圖4反應(yīng)熔滲法過程示意圖 Fig.4SchematicdiagramofprocessofRMI 各國對陶瓷基復(fù)合材料工藝都進(jìn)行了詳細(xì)的研究，其中日本擁有聚碳硅烷(PCS)和連續(xù)SiC纖維制備技術(shù)，主要開展PIP工藝制備纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的研究，特別是在SiCf/SiC復(fù)合材料制備上具有較高的研究水平；法國以CVI技術(shù)為主，且技術(shù)水平屬國際領(lǐng)先；德國以RMI和PIP技術(shù)為主，特別是RMI技術(shù)世界領(lǐng)先；美國對PIP、CVI和RMI工藝均有研究，且均有較高的研究水平，特別是RMI工藝，已經(jīng)成為GE公司陶瓷基復(fù)合材料制備的主流工藝[37]。

5CMCs在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用情況

5.1在尾噴管部件上的應(yīng)用 20世紀(jì)80年代，法國SNECMA公司采用商業(yè)牌號為“Sepcarbinox”的碳化硅基陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行外調(diào)節(jié)片的研制，先后在M53-2和M88-2發(fā)動機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過10余年的努力，于1996年進(jìn)入生產(chǎn)，這是陶瓷基復(fù)合材料在此領(lǐng)域首次得到的實(shí)際應(yīng)用。大大減輕了質(zhì)量。2002年，SNECMA公司已經(jīng)驗(yàn)證了其壽命目標(biāo)，并開始投入批生產(chǎn)。同時(shí)，SNECMA公司也嘗試將陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用到M88-2發(fā)動機(jī)的承受很高熱應(yīng)力的內(nèi)調(diào)節(jié)片上，以提高其使用壽命。圖5給出了M88-2發(fā)動機(jī)的外調(diào)節(jié)片。目前，SNECMA公司與PW公司正在將SepcarbinoxA500CT噴管調(diào)節(jié)片轉(zhuǎn)移到外場進(jìn)行評估，并準(zhǔn)備在F-15E戰(zhàn)斗機(jī)/F100-PW-229發(fā)動機(jī)和F-16戰(zhàn)斗機(jī)/F100-PW-229發(fā)動機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)，PYBBNA500CT密封片準(zhǔn)備在F-15一體化飛行器先進(jìn)控制技術(shù)(ACTIVE)戰(zhàn)斗機(jī)驗(yàn)證機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)[38]。

圖5M88-2發(fā)動機(jī)的外調(diào)節(jié)片 Fig.5OuteradjustmentsheetofM88-2engine 5.2在燃燒室部件上的應(yīng)用

陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動機(jī)燃燒室火焰筒上的應(yīng)用研究起步較早。早在90年代，GE公司和P&W公司的EPM(EnablingPropulsionMaterials)項(xiàng)目就已使用SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料制備燃燒室襯套（見圖6），該襯套在1200℃環(huán)境下工作可以超過10000h[39]。美國綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)計(jì)劃用碳化硅基復(fù)合材料制備的火焰筒（見圖7），已在具有JTAGG（先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器計(jì)劃）第I階段溫度水平的XTE65/2驗(yàn)證機(jī)中被驗(yàn)證：在目標(biāo)油氣比下，燃燒室溫度分布系數(shù)低，具有更高的性能，可耐溫1480℃[40]。在AMG研究計(jì)劃中，日本科學(xué)家采用化學(xué)氣相沉積(CVD)等工藝加工的連續(xù)纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料燃燒室火焰筒，試驗(yàn)達(dá)到了1873K的出口溫度，沒有發(fā)現(xiàn)損傷[41]。

圖6SiCf/SiC制備出的燃燒室襯套圖7CMCs制備的火焰筒 Fig.6SiCf/SiCcombustorlinerFig.7CMCsinnerliner 5.3在渦輪部件上的應(yīng)用

渦輪葉片工作在燃燒室出口，是發(fā)動機(jī)中承受熱沖擊最嚴(yán)重的零件，其耐溫能力直接決定著高性能發(fā)動機(jī)推重比的提升。目前，國外多家研究機(jī)構(gòu)已成功運(yùn)用陶瓷基復(fù)合材料制備出耐高溫的渦輪葉片。美國NASAGlenn研究中心研制的SiCf/SiC渦輪葉片（見圖8）可使冷卻空氣流量減少15%~25%，并通過在燃燒室出口氣流速度60m/s、6個(gè)大氣壓（約6×105Pa）和1200℃工作環(huán)境中的試驗(yàn)考核[42]。日本AMG計(jì)劃研制的碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料渦輪整體葉盤葉片段，于1998年暴露在熱燃?xì)饬髦校M(jìn)行了旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，工作轉(zhuǎn)速達(dá)到30000r/min，葉尖轉(zhuǎn)速達(dá)到386m/s，燃?xì)鉁囟冗_(dá)到973K，沒有發(fā)現(xiàn)任何振動和損傷[41]。圖5展示的是陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片和高溫合金葉片在110個(gè)熱循環(huán)對比試驗(yàn)后的照片，照片中左側(cè)為陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片，右側(cè)為高溫合金葉片。從圖9中可以看出，經(jīng)110次熱循環(huán)后，高溫合金葉片葉身前緣和后緣已被嚴(yán)重?zé)g，而陶瓷基復(fù)合材料葉片基本完整。由此可以看出陶瓷基復(fù)合材料制備的渦輪葉片比高溫合金制備的渦輪葉片耐熱腐蝕能力強(qiáng)[42]。

圖8NASAGlenn研究中心制備的CMCs葉片 Fig.8CMCsblademadebyNASAGlennResearchCenter

圖9CMC葉片與高溫合金葉片熱循環(huán)試驗(yàn)對比

Fig.9ThermalcycletestingpictureofCMCandhigh-temperaturealloyvane 6CMCs研究和應(yīng)用中所存在問題

盡管陶瓷基復(fù)合材料性能優(yōu)異，但是到目前為止其在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用仍然非常有限。除材料性能有待于進(jìn)一步提高外，還有幾個(gè)需要重視的問題。

(1)技術(shù)突破。陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的研發(fā)，涉及到纖維等原材料研發(fā)、預(yù)制體編織、基體致密化、材料的精確加工與裝配、環(huán)境屏障涂層制備、無損檢測及考核驗(yàn)證等多個(gè)環(huán)節(jié)[43]，各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)均取得突破才能推動整個(gè)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

(2)制造成本。陶瓷基復(fù)合材料的高成本實(shí)際上已成為阻礙其發(fā)展的一個(gè)巨大障礙，因此材料的低成本制造技術(shù)將是今后的一個(gè)重要研究方向。要降低成本首先在原材料上要盡量選取已工業(yè)化批量生產(chǎn)的材料，在性能允許的范圍內(nèi)優(yōu)先使用低價(jià)格材料。其次要盡量減少材料的后加工，陶瓷材料的后加工在其成本中占有很大的比重，因此，在制備過程中要選擇適當(dāng)?shù)某尚沃圃旆椒?，以減少后加工量。

(3)可重復(fù)性。提高陶瓷材料的可重復(fù)制造性和可靠性，降低其缺陷敏感性和尺寸效應(yīng)，也是今后的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容，這直接關(guān)系到陶瓷基復(fù)合材料制件的批量生產(chǎn)及其在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的大量應(yīng)用。因此在制備過程中應(yīng)嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行，盡量減少不確定因素和隨意性，避免材料成分出現(xiàn)偏析和產(chǎn)生大的缺陷。

(4)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。目前陶瓷基復(fù)合材料制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參照金屬材料的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，由于兩者間性質(zhì)相去甚遠(yuǎn)，這一做法已顯得越來越不適應(yīng)，在一定程度上制約了陶瓷材料的發(fā)展速度，因此有必要為陶瓷材料制定新的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以利于陶瓷材料的研究和應(yīng)用。

7結(jié)束語

陶瓷基復(fù)合材料具有重大應(yīng)用價(jià)值，它的工業(yè)化應(yīng)用將對高溫?zé)釞C(jī)、航空航天工業(yè)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響[44]。近年來，國內(nèi)有很多科研單位和大學(xué)發(fā)表了陶瓷基復(fù)合材料方面的研究論文，這表明我國在陶瓷基復(fù)合材料研究領(lǐng)域已有一定的實(shí)力。但與美國、法國等西方先進(jìn)國家相比，缺乏工程驗(yàn)證和技術(shù)集成的經(jīng)驗(yàn)積累。CMCs無論在材料制備、性能分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)用等諸方面都還存在問題。因此，目前國內(nèi)仍需加強(qiáng)關(guān)于CMCs基礎(chǔ)研究工作，改進(jìn)工藝，降低成本，完善設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，加速CMCs在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用。

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第三篇：陶瓷基復(fù)合材料的復(fù)合機(jī)理

陶瓷基復(fù)合材料的復(fù)合機(jī)理、制備、生產(chǎn)、應(yīng)用及發(fā)展前景

1.陶瓷基復(fù)合材料的復(fù)合機(jī)理

陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，其致命的弱點(diǎn)是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，會產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個(gè)有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴(kuò)展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。

1．1陶瓷基復(fù)合材料增強(qiáng)體

用于復(fù)合材料的增強(qiáng)體品種很多，根據(jù)復(fù)合材料的性能要求，主要分為以下幾種。

1.1．1纖維類增強(qiáng)體

纖維類增強(qiáng)體有連續(xù)長纖維和短纖維。連續(xù)長纖維的連續(xù)長度均超過數(shù)百。纖維性能有方向性，一般沿軸向均有很高的強(qiáng)度和彈性模量。連續(xù)纖維中又分為單絲和束絲，碳（石墨）纖維、氧化鋁纖維和碳化硅纖維（燒結(jié)法制）、碳化硅纖維是以500~12000根直徑為5.6~14微米的細(xì)纖維組成束絲作為增強(qiáng)體使用。而硼纖維、碳化硅纖維是以直徑為95~140微米的單絲作為增強(qiáng)體使用。連續(xù)纖維制造成本高、性能高，主要用于高性能復(fù)合材料。短纖維連續(xù)長度一般幾十毫米，排列無方向性，一般采用生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高的噴射成型制造。其性能一般比長纖維低。增強(qiáng)體纖維主要包括無機(jī)纖維和有機(jī)纖維。

1.1.2顆粒類增強(qiáng)體

顆粒類增強(qiáng)體主要是一些具有高強(qiáng)度、高模量。耐熱、耐磨。耐高溫的陶瓷等無機(jī)非金屬顆粒，主要有碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、石墨。細(xì)金剛石、高嶺土、滑石、碳酸鈣等。主要還有一些金屬和聚合物顆粒類增強(qiáng)體，后者主要有熱塑性樹脂粉末。

1.1.3晶須類增強(qiáng)體

晶須是在人工條件下制造出的細(xì)小單晶，一般呈棒狀，其直徑為0.2~1微米，長度為幾十微米，由于其具有細(xì)小組織結(jié)構(gòu)，缺陷少，具有很高的強(qiáng)度和模量。

1.1.4金屬絲

用于復(fù)合材料的高強(qiáng)福、高模量金屬絲增強(qiáng)物主要有鈹絲、鋼絲、不銹鋼絲和鎢絲等，金屬絲一般用于金屬基復(fù)合材料和水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)，但前者比較多見。

1.1.5片狀物增強(qiáng)體

用于復(fù)合材料的片狀增強(qiáng)物主要是陶瓷薄片。將陶瓷薄片疊壓起來形成的陶瓷復(fù)合材料具有很高的韌性。

1.2陶瓷基的界面及強(qiáng)韌化理論

陶瓷基復(fù)合材料(CMC)具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、熱化學(xué)穩(wěn)定性

等優(yōu)異性能，被認(rèn)為是推重比10以上航空發(fā)動機(jī)的理想耐高溫結(jié)構(gòu)材料。界面 作為陶瓷基復(fù)合材料重要的組成相，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和失效規(guī)律直接影 響到復(fù)合材料的整體力學(xué)性能，因此研究界面特性對陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能 的影響具有重要的意義。

1.2.1界面的粘結(jié)形式

（1）機(jī)械結(jié)合（2）化學(xué)結(jié)合陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強(qiáng)體與基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時(shí)其界面是具有一定厚度的反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。

若增強(qiáng)體與基體在高溫時(shí)不發(fā)生反應(yīng)，那么在冷卻下來時(shí)，陶瓷的收縮大于增強(qiáng)體，由此產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力?與界面剪切應(yīng)力??有關(guān)：? = ? ??，?為摩擦系數(shù)，一般取0.1~0.6。

1.2.2界面的作用

陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度；另一方面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個(gè)最佳的界面強(qiáng)度。強(qiáng)的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞，裂紋在復(fù)合材料的任一部位形成并迅速擴(kuò)展至復(fù)合材料的橫截面，導(dǎo)致平面斷裂。這是由于纖維的彈性模量不是大大高于基體，因此在斷裂過程中，強(qiáng)界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。若界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時(shí)，將導(dǎo)致界面脫粘，發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、纖維斷裂以至于最后纖維拔出。所有這些過程都要吸收能量，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性。

2.復(fù)合材料的制備與生產(chǎn)

陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝主要有以下幾部分組成：粉體制備、增強(qiáng)體（纖維、晶須）制備和預(yù)處理，成型和燒結(jié)。

2.1粉體制備

粉體的性能直接影響到陶瓷的性能，為了獲得性能優(yōu)良的陶瓷基復(fù)合材料，制備出高純、超細(xì)、組分均勻分布和無團(tuán)聚的粉體是很關(guān)鍵的。

陶瓷粉體的制備主要可分為機(jī)械制粉和化學(xué)制粉兩種?；瘜W(xué)制粉可獲得性能優(yōu)良的高純、超細(xì)、組分均勻的粉體，是一類很有前途的粉體制備方法。但是這類方法或需要較復(fù)雜的設(shè)備，或制備工藝要求嚴(yán)格，因而成本也較高。機(jī)械法制備多組分粉體工藝簡單、產(chǎn)量大，但得到的粉體組分分布不均勻，特別是當(dāng)某種組分很少的時(shí)候，而且這種方法長會給粉體引入雜質(zhì)。除此外，還可用物理法，即用蒸發(fā)-凝聚法。該方法是將金屬原料加熱到高溫，使之汽化，然后急冷，凝聚成分體，該法可制備出超細(xì)的金屬粉體。

2.2成型

有了良好的粉體，成型就成了獲得高性能陶瓷復(fù)合材料的關(guān)鍵。坯體在成型中形成的缺陷會在燒成后顯著的表現(xiàn)出來。一般成型后坯體的密度越高則燒成的收縮就越小，制品的尺寸精度越容易控制。陶瓷材料常用的成型方法有：

2.2.1模壓成型

模壓成型是將粉體填充到模具內(nèi)部，通過單向或者雙向加壓，將粉料壓成所需形狀。

2.2.2等靜壓成型

一般等靜壓成型是指將粉料裝入橡膠或塑料等可變形的容器中，密封后放入液壓油或者水等流體介質(zhì)中，加壓獲得所需坯體。

2.2.3熱壓鑄成型

熱壓鑄成型是將粉料與蠟（或其他有機(jī)高分子粘合劑）混合后，加熱使蠟（或其他有機(jī)高分子粘合劑）熔化，是混合料具有一定流動性，然后將混合料加壓注入模具，冷卻后即可得到致密較結(jié)實(shí)的坯體。

2.2.4擠壓成型

擠壓成型就是利用壓力把具有塑性的粉料通過模具擠出，模具的形狀就是成型坯體的形狀。

2.2.5軋模成型

軋模成型是將加入粘合劑的坯料放入相向滾動的壓輥之間，使物料不斷受到擠壓得到薄膜狀坯體的一種成型方法。

2.2.6注漿成型

注漿成型是基于多孔石膏模具能夠吸收水分的物理特性，將陶瓷粉料配成具有流動性的泥漿，然后注入多孔模具內(nèi)（主要為石膏模），水分在被模具（石膏）吸入后便形成了具有一定厚度的均勻泥層，脫水干燥過程中同時(shí)形成具有一定強(qiáng)度的坯體。

2.2.7流延法成型

一種陶瓷制品的成型方法，首先把粉碎好的粉料與有機(jī)塑化劑溶液按適當(dāng)配比混合制成具有一定黏度的料漿，料漿從容器同流下，被刮刀以一定厚度刮壓涂敷在專用基帶上，經(jīng)干燥、固化后從上剝下成為生坯帶的薄膜，然后根據(jù)成品的尺寸和形狀需要對生坯帶作沖切、層合等加工處理，制成待燒結(jié)的毛坯成品。

2.2.8注射成型

陶瓷料粉與熱塑性樹脂等有機(jī)溶劑在注塑機(jī)加熱料筒中塑化后，由柱塞或往復(fù)螺桿注射到閉合模具的模腔中形成制品的加工方法。

2.2.9泥漿滲透法

泥漿滲透法是先將陶瓷基體坯料制成泥漿，然后在室溫使其滲入增強(qiáng)預(yù)制體，再干燥就得到所需的陶瓷基復(fù)合材料坯體。

2.3燒結(jié)

在高溫下（低于熔點(diǎn)），陶瓷生坯固體顆粒的相互鍵聯(lián)，晶粒長大，空隙(氣孔)和晶界漸趨減少，通過物質(zhì)的傳遞，其總體積收縮，密度增加，最后成為具有某種顯微結(jié)構(gòu)的致密多晶燒結(jié)體，這種現(xiàn)象稱為燒結(jié)。陶瓷基復(fù)合材料基體常見燒結(jié)方法有普通燒結(jié)、熱致密化方法、反應(yīng)燒結(jié)、微波燒結(jié)和等離子燒結(jié)。

其中反應(yīng)燒結(jié)是指粉末混合料中至少有兩種組分相互發(fā)生反應(yīng)的燒結(jié)。微波燒結(jié)是一種材料燒結(jié)工藝的新方法，它具有升溫速度快、能源利用率高、加熱效率高和安全衛(wèi)生無污染等特點(diǎn)，并能提高產(chǎn)品的均勻性和成品率，改善被燒結(jié)材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能，近年來已經(jīng)成為材料燒結(jié)領(lǐng)域里新的研究熱點(diǎn)。

2.4陶瓷基復(fù)合材料特殊的新型制備工藝

2.4.1熔體滲透

熔體滲透是指將復(fù)合材料基體加熱到高溫使其熔化成熔體，然后滲入增強(qiáng)物的預(yù)制體中，再冷卻就得到所需的復(fù)合材料。

2.4.2化學(xué)氣相滲透（CVI）

化學(xué)氣相滲透（CVI）制備陶瓷基復(fù)合材料是將含揮發(fā)性金屬化合物的氣體在高溫反應(yīng)形成陶瓷固體沉積在增強(qiáng)劑預(yù)制體的空隙中，使預(yù)制體逐漸致密而形成陶瓷基復(fù)合材料。

2.4.3由有機(jī)聚合物合成由有機(jī)聚合物可以合成SiC、Si3N4，并可作為基體制備陶瓷基復(fù)合材料。通常是將增強(qiáng)

體材料和陶瓷粉末與有機(jī)聚合物混合，然后進(jìn)行成型燒結(jié)。

3陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用

陶瓷基復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度和比模量，韌性好，在要求質(zhì)量輕的空間及高速切削的應(yīng)用很有前景。

在軍事上和空間應(yīng)用上陶瓷基復(fù)合材料可做導(dǎo)彈的雷達(dá)罩，重返空間飛行器的天線窗和鼻錐，裝甲，發(fā)動機(jī)零部件，專用燃燒爐內(nèi)襯，軸承和噴嘴等。石英纖維增強(qiáng)二氧化硅，碳化硅增強(qiáng)二氧化硅，碳化鉭增強(qiáng)石墨，碳化硼增強(qiáng)石墨，碳，碳化硅或氧化鋁纖維增強(qiáng)玻璃等可用于上與上述目的。

陶瓷基復(fù)合材料耐蝕性優(yōu)越，生物相容性好，可用作生體材料，也可用作制作內(nèi)燃機(jī)零部件。陶瓷件復(fù)合材料可做切削道具，如碳化硅晶須增強(qiáng)氧化鋁刀具切削鎳基合金，鑄鐵和鋼的零件，不但使用壽命增加，而且進(jìn)刀量和切削速度都可大大提高。

5陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)狀與發(fā)展前景

復(fù)合材料所面臨的問題是：怎樣把不同的材料有效地結(jié)合起來使某些性能得到加強(qiáng)，同時(shí)又把成本控制在市場可接受的范圍。目前，只有少數(shù)CMC達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的水平，大多數(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，但從其具有的優(yōu)異性能和研究狀況來看，CMC有著非常廣闊的應(yīng)用前景。因而，對CMC的未來發(fā)展趨勢作一預(yù)測是非常有必要和有意義的。

5.1為了保證陶瓷基復(fù)合材料性能的可靠，除了從工藝上盡量保證陶瓷基復(fù)合材料的均一性及完整性之外，對材料性能的準(zhǔn)確評價(jià)也是一個(gè)很重要的問題。因此，無損探傷是一項(xiàng)急待開展的工作。

5.2由宏觀復(fù)合形式向微觀復(fù)合形式發(fā)展。目前應(yīng)用最多的是纖維、晶須補(bǔ)強(qiáng)復(fù)合材料

補(bǔ)強(qiáng)劑尺寸較大屬于宏觀復(fù)合。所謂微觀復(fù)合就是均質(zhì)材料在加工過程中內(nèi)部析出補(bǔ)強(qiáng)劑，（晶體）與剩余基體構(gòu)成的原位復(fù)合材料或用納米級補(bǔ)強(qiáng)劑補(bǔ)強(qiáng)的納米復(fù)合材料。

5.3由結(jié)構(gòu)復(fù)合向結(jié)構(gòu)功能一體化方向發(fā)展。到目前為止，研究的陶瓷基復(fù)合材料基本上是結(jié)構(gòu)復(fù)合型材料。將逐步向結(jié)構(gòu)功能一體化方向發(fā)展，也就是復(fù)合材料既能滿足力學(xué)性能的要求，同時(shí)還具有其他物理、化學(xué)和電學(xué)性能。

5.4從一元補(bǔ)強(qiáng)、雙元混雜復(fù)合向多元混雜方向發(fā)展。用纖維、晶須或顆粒補(bǔ)強(qiáng)劑的陶瓷復(fù)合材料已經(jīng)取得良好的效果，同時(shí)二種補(bǔ)強(qiáng)劑雙元混雜的復(fù)合材料也取得了一定進(jìn)展，將會向多元混雜的方向發(fā)展。比如在混雜的纖維補(bǔ)強(qiáng)劑中還可以加入顆粒填料二種以上的納米顆粒同時(shí)彌散的復(fù)合材料，多元混雜有可能制備出超強(qiáng)度、超韌性的高性能陶瓷材料。

5.5由復(fù)合材料的常規(guī)設(shè)計(jì)向電子計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)發(fā)展

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第四篇：金屬基陶瓷涂層在航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片表面的應(yīng)用

金屬基陶瓷涂層在航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片表面的應(yīng)用

摘要

金屬基陶瓷涂層是一種涂在金屬表面，能夠起到改變金屬底材料外表面結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成的耐熱無機(jī)保護(hù)層或保護(hù)膜的總稱。它能賦予金屬新的性能，起到了大量貴金屬也不一定能起到的作用。既節(jié)省了資源和資金又便利了加工處理。本文主要從材料，制備方法，涂層特點(diǎn)以及前景幾個(gè)方面來介紹金屬基陶瓷涂層在航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片表面的應(yīng)用。

引言

陶瓷涂層是以碳化物、氮化物、氧化物、硅化物、硼化物、金屬陶瓷和其他無機(jī)物為原料，通過各種不同的方法將涂層涂覆在金屬等基材表面而賦予基材以耐熱、耐蝕、耐磨以及某些光電特性的一種涂層，它主要起到高溫防護(hù)作用???。隨著航空航天、電子等技術(shù)等行業(yè)的迅猛發(fā)展，近半個(gè)世紀(jì)以來，陶瓷涂層正得到迅猛的發(fā)展。美國在20世紀(jì)90年代的陶瓷涂層應(yīng)用的年增長率連續(xù)保持在12%以上，有的領(lǐng)域，諸如航空發(fā)動機(jī)，它的應(yīng)用年增長率甚至可以高達(dá)25%。這表明，陶瓷涂層作為一種新技術(shù)，在先進(jìn)國家，正成為一種新興產(chǎn)業(yè)。通過更多的研究發(fā)展，陶瓷涂層一定會得到更加廣泛的應(yīng)用???。

航空技術(shù)的快速發(fā)展也對發(fā)動機(jī)渦輪的性能提高了要求，更加需要提高渦輪零部件的使用溫度極限性以及可靠性。目前已從材料、結(jié)構(gòu)、冷卻、制造幾個(gè)方面著手展開研究。經(jīng)過各種權(quán)衡，目前最為可行的就是在渦輪葉片表面加上陶瓷涂層。使之既有金屬的強(qiáng)度和韌性，又有陶瓷耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等長處。然而陶瓷對應(yīng)力集中和裂紋比較敏感，抗疲勞性和抗熱震性能也不佳，與金屬基熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)等的物理性能存在較大的差別，會導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)和涂層剝落現(xiàn)象。

正文

1.金屬基陶瓷涂層的發(fā)展現(xiàn)狀

金屬基陶瓷涂層的研究和生產(chǎn)，北美（尤其是美國）起步早，發(fā)展速度也快，其次是日本和歐洲。我國在這方面研究起步較晚???。目前，金屬基陶瓷已經(jīng)成功的廣泛應(yīng)用于航天航空、國防、化工、機(jī)械、電力電子等工業(yè)，并且由于其既有金屬的強(qiáng)度和韌性，又有陶瓷耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，金屬基陶瓷涂層受到越來越多的人的重視，它的應(yīng)用范圍越來越廣泛，發(fā)展前景很廣闊???。2.金屬基陶瓷涂層的制備技術(shù)

金屬基陶瓷涂層的制備方法比較多，這里只講幾種常見的主要方法。第一種：物理氣相沉積法（PVD法）

PVD法有離子鍍法，濺射法，蒸鍍法三種。離子鍍法是用電子束使蒸發(fā)源 的陶瓷材料蒸發(fā)成原子，并被基體包圍的等離子體離子化后，在電場作用下飛向基體形成涂層的一種方法。這種涂層均勻致密，且與基體良好的結(jié)合。濺射法是以動量為傳遞方式，講陶瓷材料激發(fā)為氣體原子，并濺射到對面金屬基上沉積而成的的一種方法。蒸鍍法，是用電子束使蒸發(fā)源的材料蒸發(fā)成粒子乘積到基體上的一種方法。第二種：復(fù)合鍍層法

復(fù)合鍍層法是在一定濃度鍍液里均勻混入不溶的陶瓷微粒，通過電鍍或化學(xué)鍍，使陶瓷微粒被共析，成為金屬陶瓷復(fù)合鍍層的一種工藝。它是一種增強(qiáng)材料，可以作為在常溫或高溫下的耐磨抗蝕材料，也在航天，切削刀具等領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。第三種：高溫熔燒法

高溫熔燒法是在常溫下把涂料制成料漿，在均勻地涂覆在金屬表面，最后經(jīng)高溫熔燒來獲得陶瓷涂層的一種方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)很多：設(shè)備簡單，容易操作，涂層成分可調(diào)范圍大，適應(yīng)性強(qiáng)，修補(bǔ)方便???。第四種：噴涂法

噴涂法最早由瑞士的M.U.Sehoop在1910年發(fā)明，在高溫下將涂層材料融化及霧化，形成熔融或半熔融狀態(tài)的粒子流，以極高的速度噴涂到金屬表面的涂覆方法???。噴涂法的優(yōu)點(diǎn)是： 1）可噴涂的材料廣泛，金屬，陶瓷等以及其各種混合物都可以，還可以重疊的噴涂不同材料組成的涂層。2）被噴涂的構(gòu)件尺寸不受限制，涂層厚度也可以自由選擇。3）對被噴涂構(gòu)件的熱影響小，熱變形小

4）噴涂設(shè)備簡單，操作工序少，效率高，涂層形成速度快。其缺點(diǎn)是：利用率低，操作環(huán)境差，形成粉塵污染等。3.渦輪葉片的現(xiàn)狀分析

3.1 葉片的熱障涂層（TBC）

某些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將對航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片上涂覆高熔點(diǎn)陶瓷材料熱障 涂層技術(shù)的研究成果應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)中。熱障陶瓷涂層很好的利用了陶瓷材料的高絕緣和高絕熱性，對渦輪熱端部件起到很好的絕熱屏蔽作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定：已經(jīng)研究和應(yīng)用的TBC，具有降低60—200℃溫度的能力，大約相當(dāng)于過去25年時(shí)間里研究的耐熱合金所提高的溫度總和???。

制備TBC的主要材料是ZrO2,（由Y2O2，MgO，CeO，CaO和一些稀土金屬穩(wěn)定的ZrO2）具有高熱膨脹系數(shù)，低熱導(dǎo)率，優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、抗高溫氧化性和抗熱震性。然而早期試驗(yàn)表明，若在基體表面直接涂覆ZrO2，在劇烈的熱沖擊影響下，由于涂層材料和基體材料熱物理性能的不一致，將導(dǎo)致嚴(yán)重的裂紋，甚至使涂層過早的剝離。因此，需在涂層與基體之間加上一層粘結(jié)底層，使之良好的粘合在一起，在提高結(jié)合力的同時(shí)，還提高了抗磨損、防氧化性。粘結(jié)的底材料用的比較多的是MCrAIY合金（M為Ni或者NiCo）。

陶瓷涂層的制備一般采用等離子噴涂或者EB-PVD。等離子法噴涂的TBC涂層壽命不長，早期主要用于導(dǎo)向器的葉片上。而采用EB-PVD法制備的TBC陶瓷涂層結(jié)構(gòu)為柱狀晶，且柱狀晶緊緊粘結(jié)在底層上，使用壽命更長。涂層光潔度高，抗高溫燃?xì)鉀_熱和抗熱震性能優(yōu)異，即使在1650℃的高溫下也能長期的使用。

粘結(jié)底層加陶瓷涂層的二元涂層結(jié)構(gòu)在西方國家應(yīng)用普遍，我國也采用了類似的方法。然而我國對TBC技術(shù)的研究才剛剛起步，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于部分西方國家，還有許多的問題需要研究和解決。3.2 渦輪葉片的修理

渦輪葉片的工作環(huán)境十分惡劣，因此，航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片需采用十分昂貴，例如鎳基和鈷基高溫合金材料并以十分復(fù)雜的工藝來制造，從而獲得優(yōu)異的性能。無故障性是衡量可靠性的參照，故障率與故障流參數(shù)是無故障性的重要指標(biāo)。渦輪葉片修理前的處理與檢測包括：1.清洗 2.無損檢測 3.葉型的精確檢測 渦輪葉片的修理技術(shù)有：1.表面損傷的修理 2.頁頂?shù)男迯?fù) 3.熱靜壓 4.噴丸強(qiáng)化 5.涂層修復(fù)???

葉片應(yīng)用涂層技術(shù)來提高其抗氧化，抗腐蝕，耐磨，耐高溫和渦輪的啟動效率，但使用過程中，葉片會出現(xiàn)不同程度的缺損。因此，對葉片的防護(hù)層修復(fù)非常之重要。一般要將原涂層剝離。重新涂覆新的涂層，以提高葉片工作的可靠性和安全性???。

目前，在我國，航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片的機(jī)上孔探檢查已廣泛使用，但葉片的先進(jìn)修理技術(shù)應(yīng)用不多，這與我國自己制造的發(fā)動機(jī)葉片材料并不十分昂貴有關(guān)。但也隨著新型高性能發(fā)動機(jī)的研制生產(chǎn)，渦輪葉片的造價(jià)會大幅上升，因此，渦輪葉片檢測和修理技術(shù)也有廣闊的前景。4.渦輪葉片的發(fā)展前景

陶瓷比較脆，容易產(chǎn)生裂紋，抗疲勞性和抗熱震性能也不佳，與金屬基熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)等的物理性能存在較大的差別，會導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)和涂層剝落的現(xiàn)象。為了解決這些問題，（1）可以研究一些多種陶瓷材料混合的復(fù)合涂層，例如通過加入某些稀土元素，稀土元素具有獨(dú)特的物理、化學(xué)特性，只要加入微量，就可以獲得非常顯著的效果????。（2）可以發(fā)展多層結(jié)構(gòu)與連續(xù)梯度結(jié)構(gòu)涂層。多層結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散阻礙層可以防止陶瓷層與粘結(jié)層之間的元素互相擴(kuò)散，避免了涂層性能水平的下降。連續(xù)梯度結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是金屬粘結(jié)層和陶瓷層之間的化學(xué)成分或結(jié)構(gòu)呈連續(xù)性過渡，金屬基與陶瓷間的界面因此消失，各部分的熱膨脹系數(shù)也連續(xù)變化，由此避免基體和陶瓷層的熱膨脹系數(shù)不相符進(jìn)而導(dǎo)致的熱應(yīng)力，可以徹底的解決陶瓷涂層提早剝離的現(xiàn)象。

結(jié)束語

在渦輪葉片表面涂覆金屬及陶瓷材料，提高了葉片的耐熱溫度，可以提高發(fā)動機(jī)的性能，并且大大提高了安全性，然而這種技術(shù)還處于發(fā)展階段，但就目前的發(fā)展情況來看，這種方法是可靠的。金屬基陶瓷涂層不但同時(shí)具有金屬和陶瓷的雙重優(yōu)點(diǎn)，并且大大節(jié)省了資金。但是也存在著涂層與基體粘結(jié)強(qiáng)度不夠，以及涂層和基體的熱物理性不相匹配的問題也還沒有得到完全的解決，故而，這項(xiàng)技術(shù)要更好的應(yīng)用于航空渦輪葉片中，還需要更多的探索與發(fā)展。相信在不久的將來，我國會在這個(gè)方向取得更大的發(fā)展，屆時(shí)，金屬基陶瓷涂層還將給我們帶來更多的福音。

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第五篇：發(fā)光陶瓷釉料的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望

發(fā)光陶瓷釉料的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望

【摘要】本文簡單介紹了發(fā)光陶瓷的簡介和發(fā)光釉的應(yīng)用，主要從低、中、高溫發(fā)光陶瓷釉和發(fā)光搪瓷的制備、性能和特點(diǎn)做一綜述，并對發(fā)光釉料現(xiàn)代工業(yè)化現(xiàn)狀進(jìn)行了概括，最后對發(fā)光陶瓷釉的前景做一介紹和進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】發(fā)光釉

低、中、高溫發(fā)光陶瓷釉

發(fā)光搪瓷

制備、性能與特點(diǎn)

工業(yè)化現(xiàn)狀

前言

長余輝發(fā)光材料俗稱為“夜光粉”，屬于光致發(fā)光材料的一種，是指經(jīng)日光和長波紫外線等光源的短時(shí)間照射，關(guān)閉光源后，仍可以在很長一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)光的材料。20世紀(jì)9 0 年代后，相繼發(fā)展到其他硫化物，鋁酸鹽，硅酸鹽，復(fù)合氧化物或硫氧化物等多種基質(zhì)材料體系長余輝發(fā)光材料可應(yīng)用于塑料，涂料，陶瓷，玻璃等傳統(tǒng)行業(yè)中，分別制得發(fā)光塑料，發(fā)光涂料，發(fā)光陶瓷，發(fā)光玻璃等【1】。而現(xiàn)在考慮發(fā)光陶瓷的發(fā)光性能，也考慮到發(fā)光陶瓷的成本比較而言，發(fā)光釉的制備容易工業(yè)化，可以預(yù)見長余輝的發(fā)光釉研制開發(fā)應(yīng)該有美好前景。

1.發(fā)光陶瓷簡介

1.1發(fā)光陶瓷的合成方法【2】

發(fā)光陶瓷的合成方法主要有三種:(l)將發(fā)光材料的粉料直接燒制成發(fā)光陶瓷塊,再經(jīng)過加工的方式制成各種形狀的成品.新一代的鋁酸鹽和硅酸鹽長余輝發(fā)光材料本身就是一種功能陶瓷;(2)將發(fā)光材料與傳統(tǒng)的陶瓷原料相混合,直接燒制出光陶瓷;(3)先制成發(fā)光陶瓷釉料,將發(fā)光陶瓷釉料施于陶瓷胚體表面,燒制成表面發(fā)光的陶瓷制品.陶瓷釉料是指熔融在陶瓷表面上一層很薄的均勻的透明的玻璃質(zhì)層,它可以改善制品使用性能,提高陶瓷的裝飾質(zhì)量.1.2發(fā)光釉簡介【3】

發(fā)光釉是熔融在陶瓷坯體表面上的一層很薄的均勻的玻璃體物質(zhì)，它具有玻璃所固有的一切物理化學(xué)性質(zhì):平滑光亮，硬度大，抗風(fēng)化，易清洗，不吸濕，不透氣，能抵抗氫氟酸和強(qiáng)堿除外的大部分酸和堿的侵蝕，如與坯體配合適當(dāng)，則還能提高坯體的強(qiáng)度，以及具有熒光，抗菌等特殊功能。同時(shí)，也可使陶瓷制品外觀豐富多彩。但是，釉又不完全等同于玻璃，例如它不單純是硅酸鹽，有時(shí)還含有硼酸鹽或磷酸鹽等，又例如玻璃中不含有A12O3，但A12O3是大多數(shù)釉的重要成分，它能增加坯與釉

發(fā)光陶瓷釉料的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望 的附加性，又可防止失透。發(fā)光釉,是指具有長余輝發(fā)光功能的釉料,一般由發(fā)光粉,基礎(chǔ)釉料和添加劑三部分組成,然后按一定比例混合后施于坯體表面，燒成后具有發(fā)光功能的一種釉料，可用于陶瓷制品和搪瓷制品的生產(chǎn)。發(fā)光釉發(fā)明于20世紀(jì)80年代,國外最早應(yīng)用在日本,前蘇聯(lián),法國等國【4-8】,國內(nèi)相繼也有了相關(guān)的一些專利【9-11】報(bào)道".其中基礎(chǔ)釉的選擇是決定發(fā)光釉的發(fā)光性能以及釉面質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一，基礎(chǔ)釉的選擇應(yīng)該考慮到以下一些基本原則: 1.始熔溫度必須低于發(fā)光釉的燒成溫度，使基礎(chǔ)釉在發(fā)光釉燒成溫度以下熔融并包覆在發(fā)光粉顆粒的表面，防止發(fā)光粉與空氣中的氧氣接觸而氧化;2.基礎(chǔ)釉必須始透明的.該樣既可以使光線透過，照射到發(fā)光材料上，保證發(fā)光粉得到最大的光吸收，也可以使發(fā)光粉產(chǎn)生的熒光損失降低到最少;3.熱膨脹系數(shù)低，釉料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)該略低于陶瓷坯體的熱膨脹系數(shù)，這樣，釉燒冷卻過程中的收縮率比坯體的收縮率小，凝固的釉層受到壓應(yīng)力，從而可提高釉的機(jī)械強(qiáng)度，防止釉面開裂;4.不與發(fā)光粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在燒成溫度下粘度應(yīng)該較大，不易析晶失透，與發(fā)光粉相容性應(yīng)該較好；

5.不含使發(fā)光粉發(fā)生發(fā)光碎滅作用的元素；

6.與陶瓷坯體相匹配，以制得光滑，具有良好光澤的釉表面。

2.陶瓷發(fā)光釉的應(yīng)用

夜光粉(發(fā)光粉)可作為一種添加劑或顏料，均勻分布在各種透明或半透明介質(zhì)中，如涂料、油黑、塑料、印花玻璃、陶瓷、釉、衛(wèi)浴、雕刻、玻璃馬賽克、化纖物等也可以同色料一起用，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的自發(fā)光功能，呈現(xiàn)良好的低度照明指示和裝飾美化效果，該材料具有穩(wěn)定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，發(fā)光性能在結(jié)晶構(gòu)造不受到破壞的前提下可永久保持吸光、蓄能、發(fā)光，一般使用壽命可長達(dá)15年以上，該材料在-20C-1300C范圍內(nèi)發(fā)光性能基本無變化，在300W高壓銀燈下1 000小時(shí)后，顏色及發(fā)光性能無變化，因此可在戶外使用。

在旅游景點(diǎn)、危險(xiǎn)區(qū)、保護(hù)區(qū)和森林等地方需要夜間標(biāo)示或警示，若采用燈光照明系統(tǒng)，由于地域大或其它原因而無法實(shí)現(xiàn)。如果采用蓄能發(fā)光搪瓷標(biāo)牌做指標(biāo)將會給人們帶來許多方便。較早研究的發(fā)光搪瓷釉料都是以重金屬主要是銅激活的硫化鋅或堿土金屬硫化物為發(fā)光材料。這類發(fā)光材料的缺點(diǎn)在于發(fā)光余輝時(shí)間短，而且其中

發(fā)光陶瓷釉料的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望

一些因含有放射性物質(zhì)，而不利于生產(chǎn)和應(yīng)用。

3.陶瓷發(fā)光釉的制備與性能特點(diǎn)

近年來，發(fā)光釉料的研究從無到有，無論是制備工藝方面，性能特點(diǎn)方面都取得了很大的發(fā)展。發(fā)光釉根據(jù)燒成溫度(550℃-1200℃)的不同，可分為低溫釉，中溫釉和高溫釉。（1）低溫發(fā)光陶瓷釉的燒成溫度一般在550-980 ℃之間（2）中溫發(fā)光陶瓷釉料的一般使用溫度為 980~1050℃之間（3）高溫發(fā)光陶瓷釉的燒成溫度為 1050℃-1 2 0 0 ℃之間。而現(xiàn)代工業(yè)中有一種應(yīng)用比較成熟的發(fā)光釉，就是發(fā)光搪瓷。本文就從低、中、高溫發(fā)光陶瓷釉和發(fā)光搪瓷的制備、性能和特點(diǎn)做一綜述。

3.1低溫陶瓷發(fā)光釉料【12】

陶瓷發(fā)光釉的出現(xiàn)始于20世紀(jì)80年代，國外最早應(yīng)用在日本、前蘇聯(lián)、法國等國。主要以硫化物為發(fā)光材料，與低溫釉料混合制成。由于發(fā)光體為=+(固溶體，而一般情況下，重氧化成就開始明顯氧化成硫酸鋅，當(dāng)溫度超過，就已經(jīng)嚴(yán)

(表面，所以在制備發(fā)光陶瓷釉料時(shí)要采取適當(dāng)?shù)姆姥趸胧涸谛纬杀Ｗo(hù)膜，以減輕氧化。這樣，可使此類發(fā)光釉料的燒成溫度在傳統(tǒng)發(fā)光釉的制造工藝大體上有3種：

（1）把合成好的熒光基質(zhì)、激活劑和釉料混合均勻，一起施釉燒成；（2）把已含有激活劑的熒光粉和基礎(chǔ)釉料混合均勻，一起施釉燒成；（3）把所有原料一起制成釉，在燒成的過程中，自動形成發(fā)光物質(zhì)。

左右。

發(fā)光陶瓷釉料的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望

良好，防止了發(fā)光粉與空氣中的氧氣接觸而發(fā)生氧化。結(jié)果使此類發(fā)光釉的發(fā)光余輝時(shí)間達(dá)到了20~40min。

張宏泉等【15】運(yùn)用分層施釉的方法，對發(fā)綠光的工藝過程進(jìn)行了研究，從而達(dá)到了張希艷等【16】將

光致發(fā)光陶瓷釉的制備

熒光粉在高溫下不發(fā)生熒光猝滅的目的。

發(fā)光粉體與基礎(chǔ)釉料按比例混合后，利用絲網(wǎng)印刷的工藝，制備了陶瓷發(fā)光釉制品。

通過晶相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，熒光粉晶體處在玻璃的包圍之中，且是正常發(fā)光狀態(tài)，目前這被大多數(shù)人認(rèn)為是陶瓷發(fā)光釉的發(fā)光機(jī)理。此類低溫陶瓷發(fā)光釉可廣泛應(yīng)用在日用瓷、工藝瓷的釉上彩部分，不僅不影響白天的視覺效果，而且多種多樣的發(fā)光顏色更賦予了普通陶瓷制品在夜間發(fā)光的效果。大連路明發(fā)光科技股份有限公司在這方面已投入生產(chǎn)，它們生產(chǎn)的唐三彩瓷版畫，在繼承了唐三彩原來色彩豐富多樣、流光溢彩、大方美觀的基礎(chǔ)上，又賦予其夜間發(fā)光的性能。

3.2中溫陶瓷發(fā)光釉料

1996年以后，隨著新型稀土離子激活的堿土鋁酸鹽蓄光型發(fā)光材料的發(fā)明和性能的提高，出現(xiàn)了將這種新型的發(fā)光材料用于陶瓷行業(yè)的趨勢。近年來，關(guān)于這方面的研究也越來越多，從而使得發(fā)光釉料的制備工藝也越來越成熟，燒成溫度也提高到1000℃以上。新型稀土離子激活的硅酸鹽蓄光型發(fā)光材料的發(fā)明，使發(fā)光陶瓷的性能進(jìn)一步提高。

張玉軍等【17】采用鋁酸基超長余輝發(fā)光粉作為發(fā)光材料，系統(tǒng)研究了適于發(fā)光的陶瓷釉料，成功地制備了中溫發(fā)光陶瓷釉制品，并討論了釉組成和燒成條件對釉料發(fā)光效果的影響。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)光陶瓷釉料的發(fā)光來自銪激活的鋁酸鍶發(fā)光晶體，燒成過程中發(fā)光材料的晶體結(jié)構(gòu)并沒有被破壞；發(fā)光釉的起始亮度相對于發(fā)光材料本身有所降低，這是由于在燒成過程中，部分顆粒較細(xì)的發(fā)光晶體熔入到釉熔體中所致；釉中含量的增加會降低發(fā)光釉的起始亮度，相反，SO和B2O3含量的增加卻能相對提高發(fā)光釉的起始亮度。該方法制得的陶瓷發(fā)光釉燒成溫度可達(dá)1800℃，且發(fā)光起始亮度高，余輝時(shí)間長，并無放射性毒害。

此類發(fā)光陶瓷釉的使用方法有很多種，可以噴淋，可以絲網(wǎng)印刷，還可以手繪；既可做底釉，又可與堆釉顆粒做三度燒產(chǎn)品。目前，它主要應(yīng)用于建筑陶瓷上，例如可以制成室內(nèi)使用的夜間指示、防火、安全標(biāo)志陶瓷產(chǎn)品。該類產(chǎn)品具有阻燃、耐老

發(fā)光陶瓷釉料的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望

化性好等優(yōu)點(diǎn)；此外還可制成三度燒的腰線磚，用以裝點(diǎn)居室、美化家庭.3.3高溫陶瓷發(fā)光釉料

目前大部分發(fā)光陶瓷的最高燒成溫度都低于1100℃，根本不能滿足地磚和衛(wèi)生潔具以及日用瓷的生產(chǎn)要求。所以目前關(guān)于高溫陶瓷發(fā)光釉料還比較少，但已有少數(shù)高溫陶瓷發(fā)光釉料的制備。

關(guān)于發(fā)光釉料的高溫發(fā)光問題，主要用以下2種方法解決：(1)在發(fā)光粉的表面包覆一層對發(fā)光粉的余輝起始亮度影響不大的物質(zhì)，以提高它的耐溫性；(2)用配合料和釉料一起燒成，在燒成過程中生成發(fā)光晶體，從而使釉料整體呈現(xiàn)發(fā)光的性能。

關(guān)于發(fā)光粉表面改性的研究于十年前就已經(jīng)出現(xiàn)。馬林等【18】為了解決熒光粉在節(jié)能熒光燈使用過程中的光衰問題，綜合運(yùn)用浸漬、吸附、反應(yīng)等復(fù)合方法對熒光粉進(jìn)行處理，獲得了表面具有納米氧化鋁

膜層的熒光粉，從而減少了短波紫外輻射的轟擊、汞的吸附沉積等破壞因素的影響，取得了較好的效果。

溶膠凝膠法制備發(fā)光粉是一種比較新型的制備方法，很多人在做這方面的研究。袁曦明等【19】用檸檬酸合成前驅(qū)體檸檬酸鹽，運(yùn)用溶膠-凝膠法制備出了黃綠色長余輝發(fā)光材料【20】，并確定最佳燒成溫度在1200-1250℃之間。張世英等

藍(lán)色熒光粉，與傳統(tǒng)的高溫固也是采用溶膠-凝膠法制備了納米晶相反應(yīng)制備方法相比，克服了原料混合不均勻和燒結(jié)溫度高的缺陷。

萬紅峰在其碩士學(xué)位論文【21】中利用溶膠-凝膠法制備出輝發(fā)光材料，進(jìn)而利用該發(fā)光材料為原料，成功制備出光陶瓷釉。制備的1150℃二次燒結(jié)后的845mcd/m2，發(fā)光性能的降低可能是因?yàn)楦邷叵轮饾u被氧化成長余中高溫發(fā)

發(fā)光體耐高溫性能良好，XRD分析結(jié)果表明經(jīng)粉體晶形沒有發(fā)生變化，發(fā)光亮度值降為

發(fā)光材料中

在的緣故。長余輝發(fā)光材料發(fā)光性能出色，余輝時(shí)間達(dá)12小時(shí)以上，同時(shí)發(fā)光性能受粉體粒度影響較大，粉體粒度為80目時(shí)初始亮度值為3826mcd/m2，200目時(shí)降低為2065mcd/m2。

發(fā)光陶瓷釉料的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望

4.發(fā)光釉料現(xiàn)代工業(yè)化現(xiàn)狀

【22】

目前工業(yè)生產(chǎn)的陶瓷發(fā)光釉大多是中低溫的陶瓷發(fā)光釉，發(fā)光材料多是 ZnS 和鋁酸鹽類，使用要求苛刻。有關(guān)這兩類的陶瓷發(fā)光釉制備工藝報(bào)道過于簡略，總的來說，由于發(fā)光材料的類型、顆粒細(xì)度、基礎(chǔ)釉成分、燒成溫度和保溫時(shí)間等的不同，產(chǎn)品的質(zhì)量差異很大。就燒成溫度而言，同一溫度下快燒、慢燒、保溫時(shí)間直接影響產(chǎn)品的發(fā)光性能，以及釉面質(zhì)量等?？紤]到發(fā)光釉的長余輝性能，必須保證有足夠的發(fā)光材料顆粒存在于釉層中，那么就需要在保證釉面質(zhì)量的情況下采用快速升溫、短時(shí)間保溫和快速冷卻的燒成工藝。另外，發(fā)光材料與基礎(chǔ)釉的成分對發(fā)光性能影響很大，要保證基礎(chǔ)釉對發(fā)光材料熔解作用小，不存在猝滅離子，而且兩者相容性一定要好。在國家節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的方針指導(dǎo)下，建筑陶瓷生產(chǎn)開始向低溫快速燒成方向發(fā)展，燒成制度也有利于陶瓷發(fā)光釉的燒成，因此，陶瓷發(fā)光釉大規(guī)模的應(yīng)用于建筑陶瓷業(yè)更為可行。

5.前景與展望

發(fā)光陶瓷市場運(yùn)用廣闊;在色彩和圖案上進(jìn)行充分開發(fā)，將具有更強(qiáng)的裝飾效果，可人量運(yùn)用在夜場，如夜總會、酒店、酒吧、KTV、樓梯、消防通道等，成為夜場必選之磚，發(fā)光材料無毒無害無輻射節(jié)能環(huán)保。因其發(fā)光波長的原理，具有很好的抑制細(xì)菌再生長之功效，比現(xiàn)在市面上一此大廠推出納米抗污技術(shù)更具優(yōu)越性，更能滿足人們的綠色健康環(huán)保的要求【23】。

而到目前為止陶瓷發(fā)光釉的研究還有很大的局限性，從理論上來說，發(fā)光材料的能量傳遞機(jī)理、長余輝機(jī)理還存在很大的爭議，而且發(fā)光材料與基礎(chǔ)釉的相互作用 有待進(jìn)一步的深入研究。從應(yīng)用上來說，對應(yīng)用于建筑陶瓷工業(yè)化生產(chǎn)的陶瓷發(fā)光釉開發(fā)不足，最可行的稀土激活硅酸鹽類陶瓷發(fā)光釉色調(diào)單

一、初始發(fā)光亮度不高、余輝時(shí)間不夠長，還需要加強(qiáng)研究，尤其是硅酸鹽類陶瓷發(fā)光釉的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用報(bào)道較少。今后的研究可以從以下四個(gè)方面進(jìn)行 :（1）從長余輝發(fā)光材料的制備入手，研究低成本的硅酸鹽類陶瓷發(fā)光釉，開發(fā)顏色更加豐富，使用性能、發(fā)光性能更好的陶瓷發(fā)光釉。

（2）從制備方法入手，尋求專門應(yīng)用于陶瓷發(fā)光釉的長余輝發(fā)光材料制品的研究，在此基礎(chǔ)上，改善制釉工藝和施釉技術(shù)，使其適應(yīng)陶瓷生產(chǎn)的工藝要求。

發(fā)光陶瓷釉料的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望

（3）從提高初始亮度、延長余輝時(shí)間、增加余輝多色性以及增加耐候性方面進(jìn)行開發(fā)探索，這是衡量陶瓷發(fā)光有可實(shí)用化的重要依據(jù)。

（4）從擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域入手，利用陶瓷發(fā)光釉開發(fā)各種陶瓷類新產(chǎn)品，如公路指引標(biāo)志，拓展其應(yīng)用范圍。

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