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行业分析

“国防屏障”——陶瓷基复合材料
来源:材料人网  2015-11-05 14:17:02
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=2216       随着科技的发展,氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷发挥着越来越重要的作用,它们具有耐高温、高强度和刚度、低密度、抗腐蚀等优异性能,但普通陶瓷材料更多的是一种脆性材料,在制备、机械加工以及使用过程中,容易产生一些内在和外在缺陷,从而导致陶瓷材料灾难性破坏,严重限制了陶瓷材料应用的广度和深度,因此提高陶瓷材料的韧性成为影响陶瓷材料在高技术领域中应用的关键。除了上述开发先进陶瓷这种途径,采用高强度、高弹性的纤维与陶瓷基体复合同样是一种行之有效且节约资源的手段,提高材料韧性从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite,简称CMC)。因此CMC随之产生,CMC是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。
       科学技术的发展对材料提出了越来越高的要求,CMC由于在破坏过程中表现出非脆性断裂特性,具有高可靠性,在新能源、国防军工、航空航天、交通运输等领域具有广阔的应用前景。CMC也成为人们预计在21世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构的首选材料。鉴于此,许多国家都在积极开展陶瓷基复合材料的研究,大大拓宽了其应用领域,并相继研究出各种制备新技术。


 
几类纤维增强相简介
       虽然用于纤维增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多。但迄今为止,能够真正实用的联系纤维种类并不多,现简要介绍如下:
       第一类为氧化铝系列(包括莫来石)纤维。这类纤维的高温抗氧化性能优良,有可能用于1400度以上的高温环境。但目前作为CMC的增强材料主要存在以下两个问题:一是高温下晶体相变、晶粒粗化以及玻璃相的蠕变导致纤维的高温强度下降;二是在高温成型和使用过程中,氧化物纤维易与陶瓷基体(尤其足氧化物陶瓷)形成强结合的界面,导致CMC的脆性破坏,丧失了纤维的补强增韧作用。
       第二类为碳化硅系列纤维。目前制备碳化硅纤维的方法主要有两种:一是化学气相沉积法(CVD):用这种方法制备的碳化硅纤维,其高温性能好,但由于直径太大(大于100um),不利于制备形状复杂的CMC构件,且价格昂贵,因而其应用受到很大限制;二是有机聚合物先驱体转化法。最典型的例子是日本碳公司生产的Nicalon和Tyranno等纤维,这种纤维的共同特点是,纤维中不同程度地含有氧和游离碳杂质,从而影响纤维的高温性能。最近,日本碳公司生产的低含氧量碳化硅纤维具有较好的高温稳定性,其强度在1500-1600温度下变化不大。
       第三类为氮化硅系列纤维。它们实际上是由Si、N、C和O等组成的复相陶瓷纤维,现已有商品出售。这类纤维也是通过有机聚合物先驱体转化法制备的,目前也存着与碳化硅纤维同样的问题,因而其性能与先驱体转化法制备的碳化硅纤维相近。
       第四类为碳纤维。碳纤维已有三十余年的发展历史,它是目前开发得最成熟,性能最好的纤维之一,已被广泛用作复合材料的增强材料。其高温性能非常好,在惰性气氛中,2000度温度范围内其强度基本不下降,是目前增强纤维中高温性能最佳的一类纤维。然而,高温抗氧化性能差是其最大的弱点。空气中,温度高于360℃后即出现明显的氧化失重和强度下降,如能解决这个问题(如采用纤维表面涂层等方法),碳纤维仍不失为CMC的最佳侯选材料。

高端领域应用简介
       迄今为止,研究得最多的是Cf/SiC和SiCf/SiC体系的陶瓷基复合材料,这些复合材料主要用于航空航天发动机结构件、抗烧蚀表面隔热板和原子反应堆壁等。用Cf /SiC复合材料制造涡轮发动机的一些构件可以提高发动机的燃烧温度从而提高了涡轮机的效率,同时,由于Cf/SiC复合材料的密度远低于高温合金的密度,可以大大减轻发动机的重量,提高发动机的工作效率与可靠性;在航天领域,当飞行器进入大气层后,由于摩擦产生的大量热量,将导致飞行器受到严重的烧蚀,为了减小飞行器的这种烧蚀,需要一个有效的防热体系,重量较轻的Cf /SiC复合材料可以起到很好的防护作用。
       国际上在20世纪90年代,CMC-SiC开始步入应用研究阶段.作为高推重比航空发动机用高温热结构材料,以推重比10航空发动机为演示验证平台,对喷管、燃烧室和涡轮三大部分进行了大量考核。其中法国Snecma公司生产的CMC-SiC调节片、密封片已装机使用十几年,在700℃工作l00h,减重50%,疲劳寿命优于高温合金,而且SiCf/SiC和Cf/SiC复合材料制成的喷嘴和尾气调节片已用于Mirage 2000战斗机的M53发动机和Rafale战斗机的M88航空发动机上。 目前正向其他发动机上拓展.中期(2015~2020年),发展燃烧室和内衬、低压涡轮和导向叶片;远期(2020年以后), 发展高压涡轮和导向叶片,高压压气机涡轮和导向叶片。
       在纤维用于制备航空发动机构件的选型上,美国也做了较为广泛的研究。1994年,NASA的EPM项目 (Enabling Propulsion Materials)选择SiCf/SiC作为HSCT (High Speed Civil Transport)发展的最佳材料系统,并开始进行纤维、纤维涂层和基体组成的选择和研究。作为高比冲液体火箭发动机用材料,多种卫星姿控轨控发动机喷管和大型运载火箭发动机喷管扩张段通过了试车考核。美国Hyper-Therm MTC,Inc.公司和空军实验室采用CVI技术制备的C/SiC复合材料液体火箭发动机推力室,目前已通过燃气温度2050度、燃烧室压力4.1 MPa,推力1735.2 N的热试车考核。美国空军超音速技术计划在模拟Mach8巡航导弹工作环境中测试了多种用于超燃冲压发动机尾喷管, 燃烧室侧壁和进气道唇口,侧壁复合材料的性能 结果表明, 带有抗氧化涂层的C/SiC复合材料能经受住l0 min的模拟环境考核,可用作一次性使用巡航导弹超燃冲压发动机中的进气道材料,并有希望用于温度高于1940 度的燃烧室和喷管。针对大于Mach8飞行和长期工作,美法共同发起一项为期4年的研究计划,设计了带有冷却结构的Cf/SiC复合材料夹层结构,分为3层:面向高温气流的最内层为Cf/SiC复合材料,中问层为镍合金冷却管,最外层也为C、SiC复合材料。这种结构的缩比件通过模拟超燃冲压发动机燃烧室工作环境的考核。

从高端步向民用
       Cf/SiC复合材料由于其低密度、高强度以及良好的耐磨性等性能也被逐渐用于高速飞行器和高速汽车、火车上的刹车系统。国外一些航天中心和设计研究机构采用液态硅浸渗的方法制备的Cf/SiC复合材料正考虑用于制造汽车的刹车片。在这种刹车盘中,刹车片表面之间具有冷却通道,这种结构可以改善刹车盘的散热性,大幅度提高刹车系统的寿命。此外德国 SGL CARBON GRO UP公司生产的 Cf/SiC复合材料也被应用于刹车片系统。通过应用Cf/SiC复合材料刹车片,刹车片的质量小于以前使用的钢刹车片质量的50%,刹车系统中其他组件的质量同样能够减轻50%左右,这样不但能够大幅度减少费用 ,同时也能明显提高刹车系统的功能,因此 Cf/SiC复合材料应用在刹车系统是一个潜在的大市场。
       陶瓷基复合材料的发展速度远不如聚合物和金属基那么快。陶瓷基复合材料的制备涉及到高温,制备工艺复杂,其成本昂贵,同时由于其基体和增强材料的热膨胀系数差异,在制备过程和使用过程中易产生热应力。虽然C/SiC、SiC/SiC等已应用于航天飞机的热结构件,但目前陶瓷基复合材料主要还处于研制和试用阶段,任重而道远。
文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=2216