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《高溫結構陶瓷基復合材料的研究現(xiàn)狀與展望--》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、高溫結構陶瓷基復合材料的研究現(xiàn)狀與展望 摘 要 概述了國外航空發(fā)動機用高溫結構陶瓷基復合材料的研究與應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,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與方向。關鍵詞 陶瓷基復合材料 高溫結構材料 力學性能 應用1 前言為了提高航空發(fā)動機的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提高發(fā)動機的渦輪進口溫度,而渦輪進口溫度與熱端部件材料的最高允許工作溫度直接相關。50至60年代,發(fā)動機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、進入80年代以后,相繼開發(fā)出了高溫單晶合金、彌散強化超合金以及金屬間化合物等,并且熱障涂層技術得到了廣泛的應用,使熱端部件的使用溫度提高到1200～1300℃,已接近這類合金熔點的80%,雖然通過各種冷卻技術可進一步提高渦輪進口溫度,但作為代價降低了熱效率,增加了結構復雜性和制造難度,而且對小而薄型的熱端部件難以進行冷卻,因而再提高的潛力極其有限[1]。陶瓷基復合材料正是人們預計在21世紀中可替代金屬及其合金的發(fā)動機熱端結構首選材料。近20年來,世界各工業(yè)發(fā)達國家對于發(fā)動機用高溫結構陶瓷基復合材料的研究與開發(fā)一直十分重視,相繼制定了各自
3、的國家發(fā)展計劃,并投入了大量的人力、物力和財力,對這一新型材料寄予厚望。如美國NASA制定的先進高溫熱機材料計劃(HITEMP)、DOE/NASA的先進渦輪技術應用計劃(ATTAP)、美國國家宇航計劃(NASP)、美國國防部關鍵技術計劃以及日本的月光計劃等都把高溫結構陶瓷基復合材料作為重點研究對象,其研制目標是將發(fā)動機熱端部件的使用溫度提高到1650℃或更高[2,3],從而提高發(fā)動機渦輪進口溫度,達到節(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的需要。2 國內(nèi)外應用與研究現(xiàn)狀由于陶瓷材料具有高的耐磨性、耐高溫和抗化學侵蝕能
4、力,國外目前已將其應用于發(fā)動機高速軸承、活塞、密封環(huán)、閥門導軌等要求轉(zhuǎn)速高和配合精度高的部件。在航空發(fā)動機高溫構件的應用上,到目前為止已報道的有法國將CVI法SiC/Cf用于狂風戰(zhàn)斗機M88發(fā)動機的噴嘴瓣以及將SiC/SiCf用于幻影2000戰(zhàn)斗機渦輪風扇發(fā)動機的噴管內(nèi)調(diào)節(jié)片[4]。此外,有許多陶瓷基復合材料的發(fā)動機高溫構件正在研制之中。如美國格魯曼公司正研究跨大氣層高超音速飛機發(fā)動機的陶瓷材料進口、噴管和噴口等部件,美國碳化硅公司用Si3N4/SiCW制造導彈發(fā)動機燃氣噴管,杜邦公司研制出能承受1200～1300℃、使用壽命達2000
5、h的陶瓷基復合材料發(fā)動機部件等[5,6]。目前導彈、無人駕駛飛機以及其它短壽命的陶瓷渦輪發(fā)動機正處在最后研制階段,美國空軍材料實驗室的研究人員認為[7],1204～1371℃發(fā)動機用陶瓷基復合材料已__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),預計發(fā)動機熱效率可從目前的26%提高到46%。英國羅—羅公司認為,未來航空發(fā)動機高壓壓氣機葉片和機匣、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合材料。預計在21世紀初,陶瓷基復合材料的使用溫度可提高到1650℃或更高。3 研究方向與發(fā)展趨勢陶瓷
6、雖然具有作為發(fā)動機熱端結構材料的十分明顯的優(yōu)點,但其本質(zhì)上的脆性卻極大地限制了它的推廣應用。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,材料科學工作者進行了大量的研究以尋找切實可行的增韌方法[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”,即對缺陷不敏感的材料。目前常見的幾種增韌方式主要有相變增韌、顆粒(晶片)彌散增韌、晶須(短切纖維)復合增韌以及連續(xù)纖維增韌補強等。此外還可通過材料結構的改變來達到增韌的目的,如自增韌結構、仿生疊層結構以及梯度功能材料等。由于連續(xù)纖維增強
7、陶瓷復合材料是目前最重要的一類高溫結構陶瓷,因此文中將其單獨列出進行敘述。同時,對近年來發(fā)展出的具有高溫應用潛力的層狀陶瓷復合材料做了較詳細的介紹。311 非連續(xù)纖維增強陶瓷基復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。其中相變增韌可以大幅度地提高陶瓷材料的常溫韌性和強度,但因在高溫下相變增韌機制失效而限制了其在高溫領域的應用。顆粒彌散及晶須復合增韌CMC制備工藝較簡單,可明顯提高陶瓷材料的抗彎強度和斷裂韌性。將顆粒、晶須等增強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力區(qū),這種應力區(qū)與外加應力發(fā)生相互
8、作用,使擴展裂紋產(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合增韌陶瓷基復合材料的力學性能[10]。對于高溫下使用的顆粒彌散及晶須
