一(yī)、陶瓷基複合材料

陶瓷基複合材料主要(yào)由陶瓷基體(tǐ)、纖維以及界面層組成，其中：纖維構&¶成陶瓷基複合材料的(de)骨架，是(shì)主要(yào)¥↕承載單元，一(yī)般具有(yǒu)高(gāo)強γ"度和(hé)高(gāo)模量的(de)特性，複合材£↔™∞料的(de)強度很(hěn)大(dà)程度上(shàng)取決于增強纖維¥∑的(de)強度;包覆在纖維表面的(de)界面相(xiàng)相σ₩(xiàng)當于連接在“骨架”上(sh←₹∞àng)的(de)“筋”，其不(bù)僅應具備力學保險絲作(zu£ε ò)用(yòng)，還(hái)應具備傳遞載荷、保護纖維等作(zuò)用(yòα±↓♠ng);而基體(tǐ)則相(xiàng)當于複合材料的(de)“肌肉”，是(shì)形成複合 ‍↓材料外(wài)形和(hé)剛性的(de)基本結☆ ←構單元，基體(tǐ)材料的(de)強度和(hé)模量應與纖維匹配↔®↔♥，同時(shí)應具有(yǒu)良好(hǎo)的(de)抗氧 ♥'λ化(huà)和(hé)抗腐蝕性能(néng)。

圖示：SiCf/SiC 複合材料的(de)組成結構示意圖

相(xiàng)比樹(shù)脂基複合材料和(hé)金(jīn)屬，陶瓷基複合♣§&₩材料具有(yǒu)耐高(gāo)溫、低(dī)密度、高(gāo)₩↔♥比強、高(gāo)比模、抗氧化(huà)和(hé)抗燒蝕等優異性能(néng)，其密度僅為(wèi)高(gāo)溫合金(jīn✔☆↔§)的(de)1/3，強度為(wèi)其2倍，能(néng)夠承受1000℃～1500℃的(de)≈α↔∞長(cháng)時(shí)間(jiān)高(gāo)溫使役（比高(gāo)溫合λ ↕金(jīn)高(gāo)200℃～240℃），且結構耐久性更好(hǎo)，固有(yǒu)的β✘(de)斷裂韌性和(hé)損傷容限高(gāo)。

按照(zhào)陶瓷基體(tǐ)的(de)不(bù)同，陶瓷基複合材料一(yī)般為(wè‌★i)氧化(huà)物(wù)基、非氧化(huà)物(wù)基兩大(dà)類，非氧化(huà‌¥‍±)物(wù)基耐高(gāo)溫能(néng)力更強。非氧化(huà)物(wù)基σ¶CMC又(yòu)按照(zhào)增強纖維的(de)不(bù₽↓)同，主要(yào)分(fēn)為(wèi)Cf/SiC（碳陶）和(hé)SiCf¶™‌/SiC（連續碳化(huà)矽纖維增韌的(de)碳化(huà)矽基複合材料）>"，後者耐氧化(huà)、抗蠕變等方面具有(yǒu)顯著優勢，且SiC纖維與基體(tǐ)SiC∏​☆具有(yǒu)良好(hǎo)的(de)相(xiàng)容性，無熱(rè)膨脹失配等問(wèn)↔→δ$題，材料部件(jiàn)壽命更長(cháng)，是(shì)近(jìn)年(nián)來(lái)研究的(de)熱(rè)點。₽ 

二、應用(yòng)情況

在各類武器(qì)裝備中，航空(kōng)發動機(jī)對(duì)材料→φ↑和(hé)制(zhì)造技(jì)術(shù)的(de)依存度最為♦∞÷(wèi)突出，航空(kōng)發動機(jī)高(gāo)轉速、高(gāo)溫的(α←π↕de)苛刻使用(yòng)條件(jiàn)和(hé)長(cháγφ×ng)壽命、高(gāo)可(kě)靠性的(de)工(​↕±↓gōng)作(zuò)要(yào)求，把對(duì)材料和↓&α(hé)制(zhì)造技(jì)術(shùλ≠±')的(de)要(yào)求提到(dào)了(le)極§​限。随著(zhe)航空(kōng)發動機(jī)推重比的(de ε☆)不(bù)斷提高(gāo)，渦輪前進氣口溫度也≤$↓(yě)在不(bù)斷提高(gāo)，傳統的(de)鎳基高(gāo)溫合金(jī₩‌↓n)已達到(dào)耐溫極限(~1050°C)，無法滿足高( λgāo)性能(néng)航空(kōng)發動機★×&(jī)的(de)耐溫需求。研究表明(míng)，将SiCf/SiC複合材料用(yòng)π$ $于燃燒室、渦輪葉片、加力燃燒室和(hé)噴管等熱(rè)α•Ω端部件(jiàn)，可(kě)使發動機(jī)工(gōng)作(z★≤uò)溫度提高(gāo)300~500°C，結構減重50%~70%，&€¥&推力提高(gāo)30%~100%。

歐、美(měi)發動機(jī)制(zhì)造商高(gāo)度φ'☆重視(shì)陶瓷基複合材料技(jì)術<π(shù)開(kāi)發，将其引入到(dào)過渡件(jiàn)、燃燒室內(nèi)襯☆♥、噴管導向葉片，甚至渦輪轉子(zǐ)件(jiàn)等熱(rè‍&)端動部件(jiàn)。根據航材院先進高(gāo)溫結構重點實驗 ± ‌室2024年(nián)4月(yuè)在《航空(kōn‌$÷∑g)材料學報(bào)》上(shàng)發布 ∏€≠的(de)最新研究顯示，法國(guó)賽峰是(sh​€↕ì)最早開(kāi)展陶瓷基複合材料研究的(de)航空(kōn×✔♥g)公司之一(yī)，最早在M88發動機(jī)噴管外(wài)調節片設計(jì)應用(yòng)陶瓷基複合材料，并于2015年(nián)開(k$♥♣♣āi)展SiCf/SiC複合材料混氣錐飛(fēi)行(xíng)驗證；羅羅和(hé)普惠公司在SiCf/SiC複合材↔€&α料方面以少(shǎo)量試車(chē)為(wèi)主，尚未達★ γ₩到(dào)批産水(shuǐ)平；GE公司是(shì)迄今為(wèi)止真正實現(xiàn)SiCf/SiC複合材料→™在航空(kōng)發動機(jī)上(shàng)商業(yè)化(huà)應用(yòΩ>ng)的(de)公司，GE公司從(cóng)20世紀80年(nián)代末就(jiù)§¶開(kāi)始制(zhì)備SiC/SiC複合材料技(jì)術(shù)攻關，經曆 ™> 工(gōng)藝探索階段、大(dà)規模驗證階段，從(cóng)2φ₩016年(nián)開(kāi)始已進入産業(yè)化(huà)階段，GE在美(m€♥<≈ěi)國(guó)建立了(le)第一(yī)個(gè)垂直整合的(de) §™CMC供應鏈，包括SiC纖維、預浸料和(hé)CMC部件(jiàn)的(de)生(shēngαΩ )産，每年(nián)可(kě)生(shēng)産20噸CMC預浸料，10噸SiC纖維和(hé)♦★超過5萬個(gè)CMC發動機(jī)部件(jiàn)。GE•φ& 2019年(nián)的(de)報(bào)道(dào)稱，GE 和(hλ¶≈é)CFM 發動機(jī)對(duì) CMC的(de)需求在過去(qù)十年(nián)中增長✘β★ (cháng)了(le) 20 倍，預計(jì)CMC部件(jφ≥iàn)産量将在未來(lái)10年(nián)增長&&>σ(cháng)10倍。

圖示：歐美(měi)不(bù)同發動機(jī)上(shàng)CMC的(π‍de)應用(yòng)部位和(hé)應用(yòng♠")情況

以在産F414航空(kōng)發動機(jī)為(wèi)例（下(xià)圖）其尾噴管二級封嚴片是(shì)用(yòng)陶瓷基複合材料制(zhδ≈δ ì)造的(de)：F414先後采用(yòng)過兩種陶瓷基複合材料來(lái)制(zhì)造二級封嚴片，首先是(φ☆±shì)碳化(huà)矽/碳（SiCf/C），也(yě)就(jiù)是(shì)碳化(huà ÷©≤)矽纖維增強碳基體(tǐ)；然後是(shì)氧化(huà)物(δ±wù)/氧化(huà)物(wù)（Ox/Ox），主要(yào)使用(yòng)氧化(huà)鋁（或莫來(lái)石）纖維增強氧化(huà₽↔)鋁陶瓷基體(tǐ)的(de)體(tǐ)系，2011年(nián)生(shēng)産的(de)F414開(kāi)始安裝氧化(huà)物(wù)CMC材料制(zhì)造封嚴片。

圖示：現(xiàn)役F414發動機(jī)尾噴管陶瓷基複合材料封嚴片

除了(le)航發之外(wài)，核能(néng)領域SiCf/SiC複合材料以其高(gāo)熔點、高(gāo)熱φ ≈★(rè)導率、高(gāo)溫穩定性、較小(xiǎo)的(de)中子(zǐ)ε♣ε 吸收截面、優良的(de)中子(zǐ)輻照(zh×♥>ào)穩定性等優異性能(néng)，成為(wèi)反應 ♠堆包層第一(yī)壁、流道(dào)插件(jiàn)、控制(zhì)杆和(hé)分(fēnλ )流器(qì)等的(de)理(lǐ)想候選材料；以及高(gāo)超聲速飛(fēi)行(xíng)器(¶£ qì)的(de)防熱(rè)、減重需求，火(huǒ)箭發動₽φ♦∏機(jī)和(hé)衛星反射鏡，高(gāo)馬赫數(shù)導彈天線罩等領域均可(kě)得(de)到(dào)使用(yφ ‍×òng)。

三、制(zhì)備工(gōng)藝

CMC組件(jiàn)的(de)制(zhì)備工¥↔λ♥(gōng)藝複雜(zá)，壁壘極高(gāo)。總體(tǐ)來(lái)&≈γ看(kàn)，陶瓷基複合材料的(de)制( εzhì)備工(gōng)藝分(fēn)為(wèi)纖₽α×維制(zhì)備、預制(zhì)體(tǐ)編織、纖維界面層制α÷₹€(zhì)備、基體(tǐ)制(zhì)備和(₹γ∑hé)增密、加工(gōng)幾步。對(duì)于工(gōng)作(zuò)&®±<環境惡劣的(de)CMC組件(jiàn)，如(rú)航空(kōng)發‍ε≈動機(jī)熱(rè)端部件(jiàn)，還(hái)需制(zh​≥βì)備環境障塗層。

SiC纖維成本占CMC成品成本的(de)50%以上(shàng)，主要(yào)采用(yòng↕✔γ)先驅體(tǐ)轉化(huà)法制(zhì)備。CMC複合材料的(×&✘‍de)制(zhì)備工(gōng)藝中CVI、MI和(hé)PIP"&‍♠工(gōng)藝較成熟，但(dàn)存在各自(z♦®ì)的(de)局限性。

三個(gè)主要(yào)工(gōng)藝對(duσ±ì)比情況如(rú)下(xià)：