前沿 | 淺談陶瓷基復合材料(CMC)

航空產業網 2019-10-05

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陶瓷基復合材料(CMC)的定義

復合材料可根據基材的不同分為三類:聚合物基復合材料(Polymer Matrix Composite,PMC),金屬基復合材料(Metal?Matrix?Composite,?MMC)與本篇主要介紹的陶瓷基復合材料(Ceramic Matrix Composite,CMC)。其中,PMC的應用在航空航天中占據主導地位,以至于現在人們提起復合材料,就會聯想到熱固性塑料和CFRP(碳纖維強化聚合物基復材)等名詞。


復材分類由航空產業網整理

陶瓷基復合材料(CMC)是以陶瓷為基材復合材料,是近十余年才開始較大范圍使用的新材料。陶瓷是人類使用歷史最悠久的材料之一,有諸多優良的特性,例如高強度,耐高溫,重量輕等。但由于其韌性差,傳統工業上,陶瓷僅有制造切削工具等為數不多的應用。而開發陶瓷基復合材料CMC就是為了克服傳統陶瓷的疲勞特性和韌性問題,同時仍然利用陶瓷基體的固有的高強度和耐高溫性能。


2001款911RS2首次應用了C/SiC剎車盤


工業上使用的CMC大致分為非氧化物型和氧化物型。在非氧化型中,主要有用于高級跑車等的剎車、離合器等的碳纖維增強SiC基復合材料(C/ SiC)和用于飛機發動機等的是SiC纖維增強SiC基材復合材料(SiC/SiC)。


噴氣式發動機高溫材料的歷史,從20世紀40年代鑄造合金的使用開始,耐高溫性能逐漸提高,但自20世紀90年代以來已接近金屬材料的理論極限,只能達到約1150°C。

渦輪入口溫度(TIT)的提高


SiC/SiC陶瓷基復合材料,將長多股SiC纖維與SiC陶瓷復合在一起,能顯著提高陶瓷材料性能:即保留了SiC陶瓷耐高溫、高強度、抗氧化、耐腐蝕、耐沖擊的優點,同時兼具SiC纖維增強增韌作用,克服了SiC陶瓷斷裂韌性低和抗外部沖擊載荷性能差的先天缺陷。


渦輪葉片典型工況下SiC/SiC優勢巨大(圖片來自IHI)

在航空噴氣發動機中使用的SiC纖維的CMC復材(SiC/SiC)具有承受1200℃甚至1400℃的高溫性能,主要用于發動機燃燒室內襯、噴口導流葉片、機翼前緣、渦輪葉片和渦輪罩環等部位,是目前關乎到發動機性能的先進戰略級材料。目前主要面臨問題是如何降低成本和建立性能檢測技術等問題。

在氧化物類(OX/ OX)中,有莫來石纖維增強的氧化鋁基質復合材料和氧化鋁纖維增強的氧化鋁基質復合材料等,使用溫度約為1000℃。一般來說,性能比不上非氧化型CMC。


前景光明的SiC纖維

日本由于礦產資源匱乏,新型復合材料的研發一直作為國家戰略。坐落于仙臺的東北大學(魯迅曾就讀其醫學部)在材料科學方面處在領先地位。SiC纖維就是于1975年在日本東北大學誕生的一種新技術。研究成果的成功轉化使日本公司在全球獲得了大部分SiC纖維的市場份額。

SiC纖維由聚碳硅烷制備,來自NGS


工業化生產SiC纖維,主要是用東北大學發明的先驅體轉化法。先生產聚碳硅烷并熔紡成連續聚碳硅烷纖維,再經過空氣中約200 ℃氧化交聯得到不熔化聚碳硅烷纖維,最后在高純氮氣保護下1000℃以上裂解得到SiC纖維。


三代SiC纖維性能對比

典型的SiC纖維產品是日本Nippon Carbon公司的Nicalon和宇部興產公司的Tyranno纖維。目前已發展到第三代。


碳纖維與SiC的2018年市場份額,圖片來自NGS

目前,SiC纖維產量僅為碳纖維產量的萬分之一,市場前景良好。主要問題是工藝性的提高和成本降低上。



SiC纖維采用化學氣相沉積(CVD)方法制備涂層,與基質結合形成預浸料。


預浸料鋪貼后經過壓實、機械加工并通過檢驗后成為CMC零件。


CMC材料在航空領域的應用案例


CMC作為熱防護系統的例子,圖片來自NASA

CMC最早用于航天飛機等的熱防護系統。例如CMC材料(C/C結構)制成的隔熱瓦能很好的解決航天飛機再次進入大氣層時艙體因與空氣摩擦而溫度過高的問題。


NASA的X-33在氣動加熱效應明顯的機頭和機翼前緣使用了C/C復合材料。新一代的高超聲速飛機,CMC也是必不可少。

近年來,高性能的CMC(SiC/SiC)逐漸被用于發動機的靜止零件。如尾噴管、護罩等。由于高昂的成本,CMC零件首先被用于軍用發動機。賽峰發動機(包括原Snecma)在80年代就在M88發動機尾噴管上應用了CMC。普惠的F119與GE航空的F414均使用了CMC做尾噴管等部位的零件。羅羅也有將CMC用于發動機零件的實驗性嘗試。另根據公開報道,我國的WS-15也使用了CMC材料的尾噴管調節片。


LEAP使用CMC材料制造渦輪護罩,圖片來自CFM

CFM公司的LEAP發動機是第一款采用CMC組件的商用噴氣發動機。LEAP發動機采用18個固定式CMC渦輪罩環。因使用CMC材料,僅需要較少的空氣從流動路徑中轉向以冷卻熱區部件,通過保持更多的空氣產生推力而不是冷卻部件,發動機有更大的推力下的同時擁有更高的效率。?根據最近國外研究,到2026年,CMC市場預計將達到75億美元,主要受核工業、航空航天業需求以及國防產業應用的推動。

F414上測試的低壓渦輪葉片,圖片來自GE

CMC作為運動零件,目前尚無大規模航空應用。2015年2月,GE在F414上曾經完成了CMC低壓渦輪零件的500個循環的測試。驗證了由輕質耐熱CMC制成的渦輪葉片優秀的高溫性能和耐久性,為將來在GE的GE9X乃至自適應循環發動機應用做了前期的準備。

布局CMC產業鏈的GE

美國GE數十年來長期投入CMC研發,累計投入超過15億美元。其20世紀70年代就開始進行CMC應用的相關研究。到1986年,GE獲得了使用陶瓷基復材制造大型燃氣輪機專利技術,并應用于發電廠。2000以后,通過10年以上的努力,GE建立了美國第一個完全集成的CMC供應鏈,其中包括在俄亥俄州,特拉華州,北卡羅來納州以及最近的2018年阿拉巴馬州工廠,由這四個相互關聯的GE生產基地的組成網絡。位于亨茨維爾的阿拉巴馬工廠是原由GE、賽峰和日本Nippon Carbon合資的SiC纖維工廠。該廠是以日本NGS 的SiC纖維工廠為范本的擴大產能版。

GE、賽峰與Nippon Carbon合資的NGS

位于日本富山的NGS公司成立于2012年,日本的NCK持股50%,GE與賽峰各25%。據信是目前世界上規模最大的生產CMC纖維的企業。

GE的CMC供應鏈,圖片來自GE公開資料

控制整個供應鏈意味著GE可以通過打磨制造過程來提高生產率并降低成本。

GE9X,圖片來自GE官網

根據GE公司的官方資料,創造了推力世界記錄的GE9X在燃燒室和高壓渦輪上使用了CMC材料。GE未來的自適應循環發動機也將使用CMC材料零件。該發動機的噴氣發動機溫度將提升至新水平。預計發動機推力將增加25%,燃油效率將提高10%。

我國的CMC發展狀況


我國從20世紀80年代開始,以張立同院士領導的西北工業大學研發團隊為先驅,中航復材、航天材料及工藝研究所、國防科大、中科院硅酸鹽研究所等單位先后啟動了SiC纖維與SiC/SiC復材的相關研發工作,取得了卓有成效的成果;目前國內已經突破第二代SiC纖維和SiC/SiC復合材料研制關鍵技術,具備了構件研制和小批量生產能力,并實現了三代產品的產業化。國內正以產學研模式開展工藝的創新與技術的產業化,國防科技大學是中國最早進行碳化硅纖維研制的單位,目前已與蘇州賽菲、寧波眾興新材展開合作;此外,廈門大學已于2015 年3 月與火炬電子展開合作。

寧波日報關于SiC纖維生產線的相關報道

據報道,蘇州賽力菲陶纖有限公司是我國首家成功實現連續SiC纖維產業化生產的企業。2017年年底,寧波眾興新材料有限公司建立了國內首條10噸級第二代連續碳化硅纖維量產生產線。

CMC質量輕,耐高溫,對航空發動機與高超聲速飛行器的研發有關鍵作用。

作為一種高科技新材料,CMC材料在資本市場也廣受關注。相信“兩機”專項的牽引下和社會資本的持續投入下,我國CMC的產業水平將會不斷提高。



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