陶瓷基復(fù)合材料(CMC)的定義

復(fù)合材料可根據(jù)基材的不同分為三類：聚合物基復(fù)合材料(Polymer Matrix Composite,PMC)，金屬基復(fù)合材料(Metal?Matrix?Composite,?MMC)與本篇主要介紹的陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic Matrix Composite,CMC)。其中，PMC的應(yīng)用在航空航天中占據(jù)主導(dǎo)地位，以至于現(xiàn)在人們提起復(fù)合材料，就會(huì)聯(lián)想到熱固性塑料和CFRP（碳纖維強(qiáng)化聚合物基復(fù)材）等名詞。

復(fù)材分類由航空產(chǎn)業(yè)網(wǎng)整理

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）是以陶瓷為基材復(fù)合材料，是近十余年才開始較大范圍使用的新材料。陶瓷是人類使用歷史最悠久的材料之一，有諸多優(yōu)良的特性，例如高強(qiáng)度，耐高溫，重量輕等。但由于其韌性差，傳統(tǒng)工業(yè)上，陶瓷僅有制造切削工具等為數(shù)不多的應(yīng)用。而開發(fā)陶瓷基復(fù)合材料CMC就是為了克服傳統(tǒng)陶瓷的疲勞特性和韌性問題，同時(shí)仍然利用陶瓷基體的固有的高強(qiáng)度和耐高溫性能。

2001款911RS2首次應(yīng)用了C/SiC剎車盤

工業(yè)上使用的CMC大致分為非氧化物型和氧化物型。在非氧化型中，主要有用于高級(jí)跑車等的剎車、離合器等的碳纖維增強(qiáng)SiC基復(fù)合材料(C/ SiC)和用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等的是SiC纖維增強(qiáng)SiC基材復(fù)合材料(SiC/SiC)。

噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)高溫材料的歷史，從20世紀(jì)40年代鑄造合金的使用開始，耐高溫性能逐漸提高，但自20世紀(jì)90年代以來已接近金屬材料的理論極限，只能達(dá)到約1150°C。

渦輪入口溫度(TIT)的提高

SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料，將長(zhǎng)多股SiC纖維與SiC陶瓷復(fù)合在一起，能顯著提高陶瓷材料性能：即保留了SiC陶瓷耐高溫、高強(qiáng)度、抗氧化、耐腐蝕、耐沖擊的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼具SiC纖維增強(qiáng)增韌作用，克服了SiC陶瓷斷裂韌性低和抗外部沖擊載荷性能差的先天缺陷。

渦輪葉片典型工況下SiC/SiC優(yōu)勢(shì)巨大(圖片來自IHI)

在航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的SiC纖維的CMC復(fù)材(SiC/SiC)具有承受1200℃甚至1400℃的高溫性能，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯、噴口導(dǎo)流葉片、機(jī)翼前緣、渦輪葉片和渦輪罩環(huán)等部位，是目前關(guān)乎到發(fā)動(dòng)機(jī)性能的先進(jìn)戰(zhàn)略級(jí)材料。目前主要面臨問題是如何降低成本和建立性能檢測(cè)技術(shù)等問題。

在氧化物類(OX/ OX)中，有莫來石纖維增強(qiáng)的氧化鋁基質(zhì)復(fù)合材料和氧化鋁纖維增強(qiáng)的氧化鋁基質(zhì)復(fù)合材料等，使用溫度約為1000℃。一般來說，性能比不上非氧化型CMC。

前景光明的SiC纖維

日本由于礦產(chǎn)資源匱乏，新型復(fù)合材料的研發(fā)一直作為國(guó)家戰(zhàn)略。坐落于仙臺(tái)的東北大學(xué)（魯迅曾就讀其醫(yī)學(xué)部）在材料科學(xué)方面處在領(lǐng)先地位。SiC纖維就是于1975年在日本東北大學(xué)誕生的一種新技術(shù)。研究成果的成功轉(zhuǎn)化使日本公司在全球獲得了大部分SiC纖維的市場(chǎng)份額。

SiC纖維由聚碳硅烷制備，來自NGS

工業(yè)化生產(chǎn)SiC纖維，主要是用東北大學(xué)發(fā)明的先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法。先生產(chǎn)聚碳硅烷并熔紡成連續(xù)聚碳硅烷纖維，再經(jīng)過空氣中約200 ℃氧化交聯(lián)得到不熔化聚碳硅烷纖維，最后在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下1000℃以上裂解得到SiC纖維。

三代SiC纖維性能對(duì)比

典型的SiC纖維產(chǎn)品是日本Nippon Carbon公司的Nicalon和宇部興產(chǎn)公司的Tyranno纖維。目前已發(fā)展到第三代。

碳纖維與SiC的2018年市場(chǎng)份額，圖片來自NGS

目前，SiC纖維產(chǎn)量?jī)H為碳纖維產(chǎn)量的萬分之一，市場(chǎng)前景良好。主要問題是工藝性的提高和成本降低上。

SiC纖維采用化學(xué)氣相沉積（CVD)方法制備涂層，與基質(zhì)結(jié)合形成預(yù)浸料。

預(yù)浸料鋪貼后經(jīng)過壓實(shí)、機(jī)械加工并通過檢驗(yàn)后成為CMC零件。

CMC材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用案例

CMC作為熱防護(hù)系統(tǒng)的例子，圖片來自NASA

CMC最早用于航天飛機(jī)等的熱防護(hù)系統(tǒng)。例如CMC材料（C/C結(jié)構(gòu)）制成的隔熱瓦能很好的解決航天飛機(jī)再次進(jìn)入大氣層時(shí)艙體因與空氣摩擦而溫度過高的問題。

NASA的X-33在氣動(dòng)加熱效應(yīng)明顯的機(jī)頭和機(jī)翼前緣使用了C/C復(fù)合材料。新一代的高超聲速飛機(jī)，CMC也是必不可少。

近年來，高性能的CMC(SiC/SiC)逐漸被用于發(fā)動(dòng)機(jī)的靜止零件。如尾噴管、護(hù)罩等。由于高昂的成本，CMC零件首先被用于軍用發(fā)動(dòng)機(jī)。賽峰發(fā)動(dòng)機(jī)（包括原Snecma）在80年代就在M88發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管上應(yīng)用了CMC。普惠的F119與GE航空的F414均使用了CMC做尾噴管等部位的零件。羅羅也有將CMC用于發(fā)動(dòng)機(jī)零件的實(shí)驗(yàn)性嘗試。另根據(jù)公開報(bào)道，我國(guó)的WS-15也使用了CMC材料的尾噴管調(diào)節(jié)片。

LEAP使用CMC材料制造渦輪護(hù)罩，圖片來自CFM

CFM公司的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)是第一款采用CMC組件的商用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)采用18個(gè)固定式CMC渦輪罩環(huán)。因使用CMC材料，僅需要較少的空氣從流動(dòng)路徑中轉(zhuǎn)向以冷卻熱區(qū)部件，通過保持更多的空氣產(chǎn)生推力而不是冷卻部件，發(fā)動(dòng)機(jī)有更大的推力下的同時(shí)擁有更高的效率。?根據(jù)最近國(guó)外研究，到2026年，CMC市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到75億美元，主要受核工業(yè)、航空航天業(yè)需求以及國(guó)防產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的推動(dòng)。

F414上測(cè)試的低壓渦輪葉片，圖片來自GE

CMC作為運(yùn)動(dòng)零件，目前尚無大規(guī)模航空應(yīng)用。2015年2月，GE在F414上曾經(jīng)完成了CMC低壓渦輪零件的500個(gè)循環(huán)的測(cè)試。驗(yàn)證了由輕質(zhì)耐熱CMC制成的渦輪葉片優(yōu)秀的高溫性能和耐久性，為將來在GE的GE9X乃至自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用做了前期的準(zhǔn)備。

布局CMC產(chǎn)業(yè)鏈的GE

美國(guó)GE數(shù)十年來長(zhǎng)期投入CMC研發(fā)，累計(jì)投入超過15億美元。其20世紀(jì)70年代就開始進(jìn)行CMC應(yīng)用的相關(guān)研究。到1986年，GE獲得了使用陶瓷基復(fù)材制造大型燃?xì)廨啓C(jī)專利技術(shù)，并應(yīng)用于發(fā)電廠。2000以后，通過10年以上的努力，GE建立了美國(guó)第一個(gè)完全集成的CMC供應(yīng)鏈，其中包括在俄亥俄州，特拉華州，北卡羅來納州以及最近的2018年阿拉巴馬州工廠，由這四個(gè)相互關(guān)聯(lián)的GE生產(chǎn)基地的組成網(wǎng)絡(luò)。位于亨茨維爾的阿拉巴馬工廠是原由GE、賽峰和日本Nippon Carbon合資的SiC纖維工廠。該廠是以日本NGS 的SiC纖維工廠為范本的擴(kuò)大產(chǎn)能版。

GE、賽峰與Nippon Carbon合資的NGS

位于日本富山的NGS公司成立于2012年，日本的NCK持股50%，GE與賽峰各25%。據(jù)信是目前世界上規(guī)模最大的生產(chǎn)CMC纖維的企業(yè)。

GE的CMC供應(yīng)鏈，圖片來自GE公開資料

控制整個(gè)供應(yīng)鏈意味著GE可以通過打磨制造過程來提高生產(chǎn)率并降低成本。

GE9X，圖片來自GE官網(wǎng)

根據(jù)GE公司的官方資料，創(chuàng)造了推力世界記錄的GE9X在燃燒室和高壓渦輪上使用了CMC材料。GE未來的自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)也將使用CMC材料零件。該發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)溫度將提升至新水平。預(yù)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力將增加25％，燃油效率將提高10％。

我國(guó)的CMC發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始，以張立同院士領(lǐng)導(dǎo)的西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)為先驅(qū)，中航復(fù)材、航天材料及工藝研究所、國(guó)防科大、中科院硅酸鹽研究所等單位先后啟動(dòng)了SiC纖維與SiC/SiC復(fù)材的相關(guān)研發(fā)工作，取得了卓有成效的成果；目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)突破第二代SiC纖維和SiC/SiC復(fù)合材料研制關(guān)鍵技術(shù)，具備了構(gòu)件研制和小批量生產(chǎn)能力，并實(shí)現(xiàn)了三代產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。國(guó)內(nèi)正以產(chǎn)學(xué)研模式開展工藝的創(chuàng)新與技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，國(guó)防科技大學(xué)是中國(guó)最早進(jìn)行碳化硅纖維研制的單位，目前已與蘇州賽菲、寧波眾興新材展開合作；此外，廈門大學(xué)已于2015 年3 月與火炬電子展開合作。

寧波日?qǐng)?bào)關(guān)于SiC纖維生產(chǎn)線的相關(guān)報(bào)道

據(jù)報(bào)道，蘇州賽力菲陶纖有限公司是我國(guó)首家成功實(shí)現(xiàn)連續(xù)SiC纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)。2017年年底，寧波眾興新材料有限公司建立了國(guó)內(nèi)首條10噸級(jí)第二代連續(xù)碳化硅纖維量產(chǎn)生產(chǎn)線。

CMC質(zhì)量輕，耐高溫，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)與高超聲速飛行器的研發(fā)有關(guān)鍵作用。

作為一種高科技新材料，CMC材料在資本市場(chǎng)也廣受關(guān)注。相信“兩機(jī)”專項(xiàng)的牽引下和社會(huì)資本的持續(xù)投入下，我國(guó)CMC的產(chǎn)業(yè)水平將會(huì)不斷提高。