一文詳解陶瓷基複合材料的主要特性及其在航空領域的代表性應用

01
陶瓷基複合材料簡述

目前，陶瓷基複合材料（Ceramic matrix composite，CMC）具有重量輕、熱膨脹低、耐高溫、抗氧化等系列有點，並已被建議用於要求高強度和斷裂韌性的飛機結構。與傳統金屬等工程材料相比，CMC更能抵抗侵蝕性環境和高溫。

在CMC中，陶瓷作為基體材料，它是由具有小顆粒尺寸（微米或納米）、高純度和良好機械、耐熱和電阻的原材料通過相對複雜的工藝製造的。陶瓷通常在離子和共價之間形成混合化學鍵。它們具有高硬度、化學穩定性、低密度和耐火性。

在CMC中，增強相可以是纖維、晶須和連續顆粒，因此CMC的特性由增強相的體積分數、分布、尺寸、取向和幾何形狀等因素決定。CMC的應用領域包括航空航天結構、高溫閥芯、面板、內燃機和渦輪機等。CMC現在正在進入許多新的領域，隨着生產成本的顯著降低，其應用範圍也將擴大。

在一些典型應用中，CMC有逐漸擴大化的趨勢，比如：飛機制動器已從有機材料（如非石棉有機制動器材料和石棉纖維增強樹脂基複合材料）過渡到粉末冶金材料（如鐵和銅基金屬）以及碳/碳複合材料（碳制動器）。

02
制動系統用陶瓷基複合材料

下圖顯示了用於航空航天領域的不同纖維取向的碳-碳複合材料（單向增強）。它們具有優異的高溫、機械和熱性能，因此碳制動器可以應對傳統制動器的低溫性能。此外，與鋼製制動器相比，碳制動器顯著減輕了制動系統的重量，這直接有助於減少與發動機排放相關的燃油消耗。波音737 NG的制動系統由碳制動器製成，比鋼製制動器輕300公斤。

與碳制動器相比，碳纖維增強陶瓷基質複合材料(C/SiC CMC)制動器具有長壽命和低摩擦敏感性、高摩擦係數和穩定性、以及低氧化等特性，同時保留了碳制動器的優點。C/SiC制動器表現出一些優異的摩擦性能，例如高靜摩擦係數、對潮濕條件的較低敏感性、低磨損率和較高的制動效率。因此，C/SiC剎車材料作為第四代飛機剎車材料，已成為人們關注的焦點。

03
飛機發動機用陶瓷基複合材料

隨着飛機發動機推重比的增加，噴嘴、燃燒室和渦輪部件等高溫部件上的熱流和衝擊載荷變得更加嚴重。例如，當推重比為10時，渦輪機進口溫度達到1500℃，如果推重比進一步增加，渦輪機進口溫度可升至1800℃。

連續纖維增強陶瓷基複合材料（Continuous fiber-reinforced ceramic matrix composite，CFRC CMC），如碳化硅纖維增強陶瓷基體複合材料（SiC/SiC CMC）和碳纖維增強陶瓷基質複合材料(C/SiC CMC)具有低密度2-3 g/cm3，耐高溫高達1600℃，並且與單片陶瓷相比，具有更高的斷裂韌性。因此，CFRC CMC被認為是一種很有前途的材料，可以滿足航空發動機熱段部件的要求。它可以將工作溫度提高到200–350℃， 從而減少甚至替換冷卻結構。

纖維增強陶瓷基複合材料截面

此外，它還有效地提高了航空發動機的可靠性。CFRC CMC已用於M882、F100PW229、CFM565B、F135、GEnx、LEAPX等航空發動機的噴嘴、燃燒室、渦輪定子和其他熱段。CMC製造技術被認為是航空發動機熱段部件的領先改進技術，因此受到歐美、俄羅斯等發達國家和地區的高度重視。

04
陶瓷基複合材料在航空領域代表性應用

雖然單片陶瓷材料可以表現出其固有的性能，但它們在航空發動機中的主要問題是對缺陷的敏感性和脆性斷裂模式。連續纖維CMC是一類有趣的材料，因為：i）與高溫合金相比，它們具有高溫性能；ii）與單片陶瓷相比，CMC具有更高的斷裂韌性，可用於更需要結構完整性的地方。因此，CMC有很大的潛力來滿足這些飛機發動機的一般要求。

CMC可以實現更高的材料溫度，引入熱障塗層（thermal barrier coating，TBC）和空氣冷卻板，從而放棄使用冷卻空氣來提高性能。當然，要在航空發動機中成功使用CMC，必須考慮該系統的整體效益。此外，CMC可以顯著減輕重量，因此其潛在應用包括飛機發動機部件的非結構和結構部件。

4.1 渦輪葉片（Turbine Blades）

燃氣渦輪機葉片特別需要耐高溫材料。碳/碳（C/C）複合材料渦輪葉片可在1050℃左右的渦輪機廢氣中保持高強度，並且非常輕。這些特性使飛機有可能達到10馬赫的速度。相比之下，鈦基複合材料只能達到3.8馬赫（工作溫度450℃） 。

考慮到由碳氈和單向纖維交替層製成的C/C材料在2000℃時的比拉伸強度可以達到160 MPa/gcm3，而傳統陶瓷在1200℃時的比拉伸強度僅為40MPa/gcm3。SiC/Al2O3或SiC纖維/Si3N4-CMC作為C/C複合材料的替代物，其性能較差(60 MPa/g cm3)。此外，高性能氧化物複合材料（HIPOC）於2009年推出，專註於開發用于飛機渦輪機或地面發動機熱段應用的幾種氧化物基CMC。

4.2 制動系統（Braking System）

制動系統是目前汽車和航空工業的一個重要領域。在制動系統啟動時，制動器對通過制動盤（轉子和定子）的液壓作出響應，產生的摩擦導致部件體積的表面溫度達到3000℃和1500℃。

碳纖維增強陶瓷剎車盤

與傳統系統（高強度鋼和燒結金屬）相比，C/C複合材料顯著減輕了重量，將這種材料應用於商用飛機的制動系統，可以將經濟重量從1100公斤減少到700公斤。因此，它不僅提高了材料的性能，如電阻或環境穩定性，而且還提高了工藝的再現性和可靠性，並降低了製造成本

4.3 葉片圓盤（Blade Discs）

葉片盤（旋轉部件）的設計主要由不同於靜態部件的力/密度比驅動。輕量化的葉片消除了額外的重量，減少了軸負載、軸承室負載等。這一系列效果可以帶來比單獨應用CMC更大的系統效益。

室溫下的最大抗拉強度接近500MPa。通過使用化學氣相滲透（CVI）和聚合物浸漬和熱解（PIP）的組合技術，使用連續Tyranoe Si-Ti-C-O（LOXM級）的三維編織織物可使其緻密化。

4.4 排氣噴嘴（Exhaust Nozzle）

目前，數家公司正在評估基於CMC的排氣噴嘴，以提高亞音速噴氣發動機部件的耐用性，並避免與使用更高金屬合金帶來的相關重量增加。

波音公司正在為商用飛機開發Nextel 610/鋁硅酸鹽複合材料聲學核心和排氣噴嘴。通用電氣航空公司在Ox/Ox化合物方面投入了大量資金，Ox/Ox材料最初被用作F414發動機的發散排氣密封。防鏽蝕CMC排氣地面試驗演示器用於未來的大型民用運輸（高速民用運輸HSCT）、超音速飛機。

4.5 渦輪噴嘴（Turbine Nozzle Blades）

渦輪噴嘴葉片形狀複雜，使用SiC晶須和氮化硅（Si3N4）粉末的滑動/髖模鑄件用於成形研究。然而，一些關鍵技術，如材料系統的開發（非氧化碳化硅纖維、基體和界面的熱穩定性）、設計方法的建立、低成本的製造工藝以及無損評估技術的開發，都需要進一步的優化，才能在CMC中得到廣泛應用。

通用電氣航空公司測試了全球首個用於F414發動機低壓渦輪葉片的旋轉SiC基CMC材料。為了使CMC發動機零件在飛機中的使用量翻倍，已經啟動了一些項目，其中可以承受更高溫度並節省重量而不需要冷卻空氣的材料將是首選。