高溫結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與展望--

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1、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與展望　　摘　要　概述了國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),分析了目前研究中存在的問題及其解決辦法,確定了今后的研究目標(biāo)與方向。關(guān)鍵詞　陶瓷基復(fù)合材料　高溫結(jié)構(gòu)材料　力學(xué)性能　應(yīng)用1　前言為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度,而渦輪進(jìn)口溫度與熱端部件材料的最高允許工作溫度直接相關(guān)。50至60年代,發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件材料主要是鑄造高溫合金,其使用溫度為800～900℃;70年代中期,定向凝固超合金開始推廣,其使用溫度提高到接近1000℃;

2、進(jìn)入80年代以后,相繼開發(fā)出了高溫單晶合金、彌散強(qiáng)化超合金以及金屬間化合物等,并且熱障涂層技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用,使熱端部件的使用溫度提高到1200～1300℃,已接近這類合金熔點(diǎn)的80%,雖然通過(guò)各種冷卻技術(shù)可進(jìn)一步提高渦輪進(jìn)口溫度,但作為代價(jià)降低了熱效率,增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和制造難度,而且對(duì)小而薄型的熱端部件難以進(jìn)行冷卻,因而再提高的潛力極其有限[1]。陶瓷基復(fù)合材料正是人們預(yù)計(jì)在21世紀(jì)中可替代金屬及其合金的發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)首選材料。近20年來(lái),世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料的研究與開發(fā)一直十分重視,相繼制定了各自

3、的國(guó)家發(fā)展計(jì)劃,并投入了大量的人力、物力和財(cái)力,對(duì)這一新型材料寄予厚望。如美國(guó)NASA制定的先進(jìn)高溫?zé)釞C(jī)材料計(jì)劃(HITEMP)、DOE/NASA的先進(jìn)渦輪技術(shù)應(yīng)用計(jì)劃(ATTAP)、美國(guó)國(guó)家宇航計(jì)劃(NASP)、美國(guó)國(guó)防部關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃以及日本的月光計(jì)劃等都把高溫結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料作為重點(diǎn)研究對(duì)象,其研制目標(biāo)是將發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的使用溫度提高到1650℃或更高[2,3],從而提高發(fā)動(dòng)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(zhǎng)壽命的目的,滿足軍事和民用熱機(jī)的需要。2　國(guó)內(nèi)外應(yīng)用與研究現(xiàn)狀由于陶瓷材料具有高的耐磨性、耐高溫和抗化學(xué)侵蝕能

4、力,國(guó)外目前已將其應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)高速軸承、活塞、密封環(huán)、閥門導(dǎo)軌等要求轉(zhuǎn)速高和配合精度高的部件。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫構(gòu)件的應(yīng)用上,到目前為止已報(bào)道的有法國(guó)將CVI法SiC/Cf用于狂風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)M88發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴瓣以及將SiC/SiCf用于幻影2000戰(zhàn)斗機(jī)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管內(nèi)調(diào)節(jié)片[4]。此外,有許多陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)動(dòng)機(jī)高溫構(gòu)件正在研制之中。如美國(guó)格魯曼公司正研究跨大氣層高超音速飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷材料進(jìn)口、噴管和噴口等部件,美國(guó)碳化硅公司用Si3N4/SiCW制造導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬姽?杜邦公司研制出能承受1200～1300℃、使用壽命達(dá)2000

5、h的陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)部件等[5,6]。目前導(dǎo)彈、無(wú)人駕駛飛機(jī)以及其它短壽命的陶瓷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)正處在最后研制階段,美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室的研究人員認(rèn)為[7],1204～1371℃發(fā)動(dòng)機(jī)用陶瓷基復(fù)合材料已__經(jīng)研制成功。由于提高了燃燒溫度,取消或減少了冷卻系統(tǒng),預(yù)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率可從目前的26%提高到46%。英國(guó)羅—羅公司認(rèn)為,未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片和機(jī)匣、高壓與低壓渦輪盤及葉片、燃燒室、加力燃燒室、火焰穩(wěn)定器及排氣噴管等都將采用陶瓷基復(fù)合材料。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)初,陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度可提高到1650℃或更高。3　研究方向與發(fā)展趨勢(shì)陶瓷

6、雖然具有作為發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)材料的十分明顯的優(yōu)點(diǎn),但其本質(zhì)上的脆性卻極大地限制了它的推廣應(yīng)用。為了克服單組分陶瓷材料缺陷敏感性高、韌性低、可靠性差的缺點(diǎn),材料科學(xué)工作者進(jìn)行了大量的研究以尋找切實(shí)可行的增韌方法[8,9]。增韌的思路經(jīng)歷了從“消除缺陷”或減少缺陷尺寸、減少缺陷數(shù)量,發(fā)展到制備能夠“容忍缺陷”,即對(duì)缺陷不敏感的材料。目前常見的幾種增韌方式主要有相變?cè)鲰g、顆粒(晶片)彌散增韌、晶須(短切纖維)復(fù)合增韌以及連續(xù)纖維增韌補(bǔ)強(qiáng)等。此外還可通過(guò)材料結(jié)構(gòu)的改變來(lái)達(dá)到增韌的目的,如自增韌結(jié)構(gòu)、仿生疊層結(jié)構(gòu)以及梯度功能材料等。由于連續(xù)纖維增強(qiáng)

7、陶瓷復(fù)合材料是目前最重要的一類高溫結(jié)構(gòu)陶瓷,因此文中將其單獨(dú)列出進(jìn)行敘述。同時(shí),對(duì)近年來(lái)發(fā)展出的具有高溫應(yīng)用潛力的層狀陶瓷復(fù)合材料做了較詳細(xì)的介紹。311　非連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料各種增韌手段在制備工藝和增韌效果上各有優(yōu)劣。其中相變?cè)鲰g可以大幅度地提高陶瓷材料的常溫韌性和強(qiáng)度,但因在高溫下相變?cè)鲰g機(jī)制失效而限制了其在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。顆粒彌散及晶須復(fù)合增韌CMC制備工藝較簡(jiǎn)單,可明顯提高陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性。將顆粒、晶須等增強(qiáng)物加入到基體材料中,由于兩者彈性模量和熱膨脹系數(shù)的差異而在界面形成應(yīng)力區(qū),這種應(yīng)力區(qū)與外加應(yīng)力發(fā)生相互

8、作用,使擴(kuò)展裂紋產(chǎn)生釘扎、偏轉(zhuǎn)、分叉或以其它形式(如相變)吸收能量,從而提高了材料的斷裂抗力。表1列出了一些具有代表性的顆粒彌散及晶須復(fù)合增韌陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能[10]。對(duì)于高溫下使用的顆粒彌散及晶須