连续纤维增韧陶瓷基复合材料的研究与应用

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1、9003牟复合材料学术耳会连续纤维增韧陶瓷基复合材料的研究与应用张立同，崴来飞，徐永东(西北工业大学超高温复合材料实验室)摘要：连续纤维增韧陶瓷基复合材料(cMc)具有类似金属的的断裂行为、对裂纹不敏感、没有灾难性损毁a其中连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)已实甩化，其密度仅为高温合金和锟合金的1／3～1／4，钨合金的1／9’1／10，应用可覆盖2800—3000。C瞬时寿命、2000—2200。C有限寿俞和1650。C长寿命三类服役环境。在火箭发动机和航空发动机、空天飞行罂的防热结构，以及民用领域都有广泛的应

2、用前景。CVI法是制造大型、薄壁、复杂的近终形构件的唯一已商业化的制造方法，目前只有法、美等少数国家掌握cvI的工程化技术。西北工业大学超高温复合材料实验宣发展了拥有独立知识产权、可工程化制备CVI—CMC—SiC构件的工艺及其设备体系。形成了四种牌号材料，研制了20余种160余件CVI—CMC—SiC构件，多种构件成功通过了各种典型高温服役环境的考核，材料性能和整体研究与应用水平已跻身国际先进行列。发展CMC的环境性能模拟技术、同质与异质连接技术是进一步挖潜CMC应用潜力，确保使用安全性的基础。陶瓷材料的耐高温、低密度、高比

3、强、高比模、抗氧化和抗烧蚀等优异性能，使其具有接替金属作为新一代高温结构材料的潜力。而陶瓷材料的脆性大和可靠性差等致命弱点又阻碍其实用化。在发展的多种增韧途径中，连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CFRCMC，简称CMC)更引人注目，它可以具有类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、没有灾难性损毁。七十年代初期法国Bordeaux大学Naslain教授发明了CVI制造连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(简称CMC-SiC)的新方法，现已发展成为工程化技术，而后美国购买了法国专利。CMC-SiC具有高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀、抗氧化和低密

4、度等特点，其密度2～2．59／cm{，仅为高温合金和铌合金的1／3～i／4，钨合金的1／9“1／10)。CMC—SiC主要包括碳纤维增韧碳化硅(C／SiC)和碳化硅纤维增韧碳化硅(sic／sic)两种，由于碳纤维价格便宜且容易获得，因而C／SiC成为SiC陶瓷基复合材料研究、考核与应用的首选。CMC—SiC的应用可覆盖瞬时寿命(数十秒～数百秒)、有限寿命(数十分钟～数十小时)和长寿命(数百小时～上千小时)三类服役环境的需求。用于瞬时寿命的固体火箭发动机，C／SiC的使用温度可达2800～3000。c；用于有限寿命的液体火箭发动

5、机。C／SiC的使用温度可达2000—2200。C；用于长寿命航空发动机，C／SiC的使用温度为1650。C，SiC／SiC为1450。C，提高SiC纤维的使用温度是使SiC／SiC用于16500C的关键。由于C／SiC抗氧化性能较SiC／SiC差，国内外普遍认为，航空发动机热端部件最终获得应用的是SiC／SiC。因此CMC—SiC被认为是继碳一碳复合材料(c／c)之后发展的又一新型战略性材料。在3000。C以下，它与C／C相比，抗氧化性和抗烧蚀性更好，强度和模量更高，并具有良好的可机械加工性，因而成为大幅度提高现有武器装备性

6、能和发展未来先进武器装备的～种关键材料，发达国家都在竞相发展。此外，CMC—SiC在核聚变能源、高速刹车、燃气轮机热端部件、高温气体过滤和热交换器等方面也有广泛应用潜力。蹴罗年复合材料学术牟会1GMG-Sic的应用现状高性能动力是发展先进航空和航天器的基础。提高航空发动机的推重比和火箭发动机的冲质比是改善先进航空和航天器性能的必经之路。这些都要求不断降低发动机的结构重量(或质量)和提高发动机构件的耐温能力。因此，发展耐高温、低密度的新型超高温复合材料来接替高温合金和难熔金属材料，成为发展高性能发动机的关键和基础。国际普遍认为，

7、CMC—SiC是发动机高温结构材料的技术制高点之一，可反映一个国家先进航空航天器和先进武器装备的设计和制造能力。由于其技术难度大、耗资大，目前只有法国、美国等少数国家掌握了连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的产业化技术。1．1离推重比航空发动机领域高推重比航空发动机用高温长寿命CMC—SiC正在向实用化发展，已在多种军、民用型号发动机的中等载荷静止件上演示验证成功(见表1)，推重比9-10级发动机成为CMC-SiC的演示验证平台。美国在“IHPTET”第二阶段计划(1991—2000年)中，试验了大量cMc—SiC构件，如整体燃

8、烧室、整体导向器、整体涡轮、导向叶片、涡轮间过渡机匣、尾喷管等；在第三阶段计划中，将重点试验整体燃烧室和整体涡轮等。我国高推重比航空发动机的研制也对陶瓷基复合材料也提出了需求，CMC—SiC燃烧室浮壁模拟件和尾喷管调节片构件己分别在发动机试验台和发动机上成功地进行了初步验证。