陶瓷基復(fù)合材料逐步成為航空發(fā)動機(jī)中的關(guān)鍵材料

2023-06-05 來源：無機(jī)非金屬材料科學(xué) 瀏覽數(shù)：927

陶瓷基復(fù)合材料是未來航空發(fā)動機(jī)最有前景的材料之一，是提高航空發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵材料。一般認(rèn)為當(dāng)發(fā)動機(jī)推得比達(dá)到或者超過15的時(shí)候，就需要采用陶瓷基復(fù)合材料這樣的先進(jìn)材料確保發(fā)動機(jī)性能達(dá)標(biāo)。

 

 

      作為航天器“心臟”的發(fā)動機(jī)，在航空航天科技的發(fā)展過程中起著關(guān)鍵性作用。發(fā)動機(jī)是復(fù)雜而精密的高端戰(zhàn)略裝備，但是能同時(shí)滿足耐高溫、性能穩(wěn)定、長壽命使用要求的材料體系非常有限。
     高科技陶瓷材料作為一種輕質(zhì)、高性能的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在高溫領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，優(yōu)異的高溫性能使其可替代高溫合金材料成為在航天發(fā)動機(jī)上特別是在發(fā)動機(jī)核心機(jī)上使用的候選材料之一。

    現(xiàn)階段，航天發(fā)動機(jī)燃燒室、渦輪等高溫結(jié)構(gòu)的材料仍以高溫合金為主。經(jīng)過40多年發(fā)展，以單晶合金為代表的金屬材料耐溫能力大幅提高，但仍與發(fā)動機(jī)燃燒溫度相差較大，而且在新一代發(fā)動機(jī)中，差距逐漸增大。

俄羅斯：
     2016年俄羅斯中央巴拉諾夫航空發(fā)動機(jī)制造研究所成立了FPI實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室成立的目的是應(yīng)用陶瓷基復(fù)合材料和增材制造技術(shù)來進(jìn)一步促進(jìn)俄羅斯新一代航空發(fā)動機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展。

      關(guān)于巴拉諾夫中央航空發(fā)動機(jī)研究所
     1、 巴拉諾夫中央航空發(fā)動機(jī)研究所主要從事航空發(fā)動機(jī)研究，是俄羅斯最大的航空研究機(jī)構(gòu)之一，也是歐洲最大的航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中心。
    2、能在接近真實(shí)飛行條件下對航空發(fā)動機(jī)及其部件、系統(tǒng)和構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)研究。

     2019年，俄羅斯中央巴拉諾夫航空發(fā)動機(jī)制造研究所成功地對新一代轉(zhuǎn)子活塞式航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行了一系列測試。發(fā)動機(jī)在主要工作模式下持續(xù)運(yùn)行了4個小時(shí)，完成了試驗(yàn)大綱規(guī)定的主要檢測項(xiàng)目。發(fā)動機(jī)的一些其他性能測試工作還將持續(xù)進(jìn)行，包括將在中央巴拉諾夫航空發(fā)動機(jī)制造研究所試驗(yàn)臺上進(jìn)行的壽命試驗(yàn)和高原氣候試驗(yàn)。

       該發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)采用了具有較高機(jī)械-物理特性的新一代材料，即金屬陶瓷基復(fù)合材料和集成陶瓷復(fù)合材料。該發(fā)動機(jī)還采用了最新研制的使用增壓空氣來冷卻渦輪增壓系統(tǒng)的新系統(tǒng)，該系統(tǒng)的部分元件使用俄羅斯本國原材料并采用3D技術(shù)打印生產(chǎn)。

       該發(fā)動機(jī)的電子操縱系統(tǒng)同樣也是全新的設(shè)計(jì)。正是由于上述創(chuàng)新方案都非常成功，所以新型發(fā)動機(jī)的功率比俄羅斯以前研制的轉(zhuǎn)子活塞式航空發(fā)動機(jī)的功率提高了一倍左右。

       2022年，據(jù)俄羅斯《消息報(bào)》網(wǎng)站18日報(bào)道，俄羅斯工程師在世界上首次開發(fā)出了用高科技陶瓷制造火箭發(fā)動機(jī)的技術(shù)。這種發(fā)動機(jī)比金屬發(fā)動機(jī)更耐高溫，因而效率更高。

       報(bào)道稱，因?yàn)楦呖萍继沾刹牧厦芏雀停@將使火箭能夠在使用更少燃料的情況下將更多的貨物送入軌道。開發(fā)人員認(rèn)為，現(xiàn)在可以用陶瓷制造用于能源行業(yè)的各種熱力機(jī)器的渦輪機(jī)。

        報(bào)道表示，工程師們學(xué)會了如何將陶瓷零部件拼接為一個整體。發(fā)動機(jī)的主要性能指標(biāo)之一是所謂的有效效率。它顯示了系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換方面的效率，有效效率越高，就意味著越節(jié)能。

       Ekipo公司負(fù)責(zé)開發(fā)陶瓷粘合技術(shù)的項(xiàng)目經(jīng)理捷姆金說：“我們做了一個手掌大小的發(fā)動機(jī)樣品。這東西看上去沒有什么不尋常之處，但現(xiàn)在世界上還沒有人能制造出這樣的引擎。我們學(xué)會了如何拼接陶瓷，使接縫不明顯，其強(qiáng)度完全不遜色于一體成型材料。”

       研發(fā)人員稱，如果用陶瓷制造渦輪發(fā)動機(jī)，其效率將比合金發(fā)動機(jī)提高15%以上。

      測試表明，采用新技術(shù)制造的高科技陶瓷產(chǎn)品可以有效抵御液體火箭發(fā)動機(jī)中發(fā)生的所謂熱沖擊，也就是在一秒半的時(shí)間內(nèi)從室溫到近2000℃的溫差。測試報(bào)告顯示，發(fā)動機(jī)樣品經(jīng)受住了120多次這樣的熱沖擊。

美國：

       美國GE公司在二十多年前就開始與NASA合作開發(fā)高速民用運(yùn)輸機(jī)用陶瓷基復(fù)合材料燃燒室內(nèi)襯。GE公司非常重視對航空事業(yè)的研發(fā)，投入了巨額研發(fā)資金，陶瓷基復(fù)合材料正是GE航空部門最為依賴的技術(shù)之一。幾年前，美國GE公司就開始在阿拉巴馬州亨茨維爾市建設(shè)SiC纖維工廠，大幅提升美國耐2400°F（約1316℃）高溫的SiC陶瓷纖維產(chǎn)能。而此前，SiC陶瓷纖維市場被日本公司牢牢占據(jù)。

       在美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)下，美國展開了對陶瓷基復(fù)合材料的研發(fā)工作。CFM公司研發(fā)的LEAP航空發(fā)動機(jī)，成為第一個廣泛應(yīng)用的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品。

        F414的核心機(jī)設(shè)計(jì)來自通用電氣的F412非加力渦扇發(fā)動機(jī)，而這種發(fā)動機(jī)是為麥道/通用動力A-12“復(fù)仇者II”艦載隱身攻擊機(jī)研制的。“復(fù)仇者II”在1988年贏得了美國海軍先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)（ATA）的競標(biāo)，通用電氣為該機(jī)開始研制派生自F404的F412。
       目前在產(chǎn)F414的尾噴管二級封嚴(yán)片是用陶瓷基復(fù)合材料（CMC）制造的。根據(jù)通用電氣的說法，F(xiàn)414先后采用過兩種陶瓷基復(fù)合材料來制造二級封嚴(yán)片，首先是碳化硅/碳（SiC/C），也就是陶瓷級碳化硅纖維增強(qiáng)的碳基材；然后是氧化物/氧化物（Ox/Ox），也就是使用氧化鋁-莫來石陶瓷纖維增強(qiáng)的氧化鋁-氧化硅基材。2011年生產(chǎn)的F414開始安裝Ox/Ox材料制造的封嚴(yán)片。

     ADVENT采用陶瓷基復(fù)合材料低壓渦輪和高壓渦輪前緣，AETD上陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大。據(jù)通用電氣聲稱，陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片甚至可以不需要冷卻，為大幅度提高發(fā)動機(jī)熱工性能提供了空間。陶瓷基復(fù)合材料葉片也比鎳基合金輕2/3。在ADVENT上，陶瓷基復(fù)合材料的高壓渦輪前緣達(dá)到1648攝氏度。

 中國：

       2022年，西北工業(yè)大學(xué)研制的國產(chǎn)陶瓷基復(fù)合材料整體渦輪盤成功完成首次空中驗(yàn)證。這個試驗(yàn)表明國產(chǎn)陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)之中的運(yùn)用取得了突破性進(jìn)展，為以后用陶瓷基復(fù)合材料制造航空發(fā)動機(jī)高溫壓氣機(jī)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前試飛的是陶瓷基復(fù)合材料渦輪盤，它與渦輪葉片構(gòu)成高溫渦輪，而高溫渦輪又是航空發(fā)動機(jī)核心機(jī)關(guān)鍵部件之一。現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)核心機(jī)主要包括高壓壓氣機(jī)、燃燒室和高溫渦輪，是發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件。一般認(rèn)為航空發(fā)動機(jī)核心技術(shù)完成之后，1臺航空發(fā)動機(jī)研制工作等于完成了80%。因此外界推測國產(chǎn)第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)，也就是高推重比發(fā)動機(jī)已經(jīng)進(jìn)入關(guān)鍵部件研制階段，預(yù)計(jì)2025年之后可以完成核心機(jī)，2030年進(jìn)入整機(jī)研制階段。第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)取得的技術(shù)成果還可以用來改進(jìn)和提高現(xiàn)有航空發(fā)動機(jī)，增強(qiáng)它們的性能。

       此外，我國的WS-15"峨眉" 渦扇發(fā)動機(jī)，裝有先進(jìn)的陶瓷基復(fù)合材料的尾噴管調(diào)節(jié)片；F119渦扇發(fā)動機(jī)采用了高溫樹脂基材料外涵機(jī)匣以及用陶瓷基復(fù)合材料或碳-碳材料的一些靜止結(jié)構(gòu)；M88渦扇發(fā)動機(jī)噴口調(diào)節(jié)片用碳化硅基陶瓷材料制造；F414渦輪發(fā)動機(jī)的尾噴管二級封嚴(yán)片是用陶瓷基復(fù)合材料（CMC）制造的。

      陶瓷基復(fù)合材料是未來航空發(fā)動機(jī)最有前景的材料之一，是提高航空發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵材料。一般認(rèn)為當(dāng)發(fā)動機(jī)推得比達(dá)到或者超過15的時(shí)候，就需要采用陶瓷基復(fù)合材料這樣的先進(jìn)材料確保發(fā)動機(jī)性能達(dá)標(biāo)。

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