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1、高温结构陶瓷基复合材料的研究现状与展望 摘 要 概述了国外航空发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与应用现状及发展趋势,分析了目前研究中存在的问题及其解决办法,确定了今后的研究目标与方向。关键词 陶瓷基复合材料 高温结构材料 力学性能 应用1 前言为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温度,而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直接相关。50至60年代,发动机热端部件材料主要是铸造高温合金,其使用温度为800～900℃;70年代中期,定向凝固超合金开始推广,其使用温度提高到接近1000℃;
2、进入80年代以后,相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及金属间化合物等,并且热障涂层技术得到了广泛的应用,使热端部件的使用温度提高到1200～1300℃,已接近这类合金熔点的80%,虽然通过各种冷却技术可进一步提高涡轮进口温度,但作为代价降低了热效率,增加了结构复杂性和制造难度,而且对小而薄型的热端部件难以进行冷却,因而再提高的潜力极其有限[1]。陶瓷基复合材料正是人们预计在21世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构首选材料。近20年来,世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与开发一直十分重视,相继制定了各自
3、的国家发展计划,并投入了大量的人力、物力和财力,对这一新型材料寄予厚望。如美国NASA制定的先进高温热机材料计划(HITEMP)、DOE/NASA的先进涡轮技术应用计划(ATTAP)、美国国家宇航计划(NASP)、美国国防部关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象,其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650℃或更高[2,3],从而提高发动机涡轮进口温度,达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的,满足军事和民用热机的需要。2 国内外应用与研究现状由于陶瓷材料具有高的耐磨性、耐高温和抗化学侵蚀能
4、力,国外目前已将其应用于发动机高速轴承、活塞、密封环、阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。在航空发动机高温构件的应用上,到目前为止已报道的有法国将CVI法SiC/Cf用于狂风战斗机M88发动机的喷嘴瓣以及将SiC/SiCf用于幻影2000战斗机涡轮风扇发动机的喷管内调节片[4]。此外,有许多陶瓷基复合材料的发动机高温构件正在研制之中。如美国格鲁曼公司正研究跨大气层高超音速飞机发动机的陶瓷材料进口、喷管和喷口等部件,美国碳化硅公司用Si3N4/SiCW制造导弹发动机燃气喷管,杜邦公司研制出能承受1200～1300℃、使用寿命达2000
5、h的陶瓷基复合材料发动机部件等[5,6]。目前导弹、无人驾驶飞机以及其它短寿命的陶瓷涡轮发动机正处在最后研制阶段,美国空军材料实验室的研究人员认为[7],1204～1371℃发动机用陶瓷基复合材料已__经研制成功。由于提高了燃烧温度,取消或减少了冷却系统,预计发动机热效率可从目前的26%提高到46%。英国罗—罗公司认为,未来航空发动机高压压气机叶片和机匣、高压与低压涡轮盘及叶片、燃烧室、加力燃烧室、火焰稳定器及排气喷管等都将采用陶瓷基复合材料。预计在21世纪初,陶瓷基复合材料的使用温度可提高到1650℃或更高。3 研究方向与发展趋势陶瓷
6、虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点,但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。为了克服单组分陶瓷材料缺陷敏感性高、韧性低、可靠性差的缺点,材料科学工作者进行了大量的研究以寻找切实可行的增韧方法[8,9]。增韧的思路经历了从“消除缺陷”或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量,发展到制备能够“容忍缺陷”,即对缺陷不敏感的材料。目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒(晶片)弥散增韧、晶须(短切纤维)复合增韧以及连续纤维增韧补强等。此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的,如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。由于连续纤维增强
7、陶瓷复合材料是目前最重要的一类高温结构陶瓷,因此文中将其单独列出进行叙述。同时,对近年来发展出的具有高温应用潜力的层状陶瓷复合材料做了较详细的介绍。311 非连续纤维增强陶瓷基复合材料各种增韧手段在制备工艺和增韧效果上各有优劣。其中相变增韧可以大幅度地提高陶瓷材料的常温韧性和强度,但因在高温下相变增韧机制失效而限制了其在高温领域的应用。颗粒弥散及晶须复合增韧CMC制备工艺较简单,可明显提高陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性。将颗粒、晶须等增强物加入到基体材料中,由于两者弹性模量和热膨胀系数的差异而在界面形成应力区,这种应力区与外加应力发生相互
8、作用,使扩展裂纹产生钉扎、偏转、分叉或以其它形式(如相变)吸收能量,从而提高了材料的断裂抗力。表1列出了一些具有代表性的颗粒弥散及晶须复合增韧陶瓷基复合材料的力学性能[10]。对于高温下使用的颗粒弥散及晶须
