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  • [原创]碳纤维增强陶瓷基复合材料

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  • 发表于:2017-12-18 14:32:29

陶瓷基复合材料,是人们预计在 21 世纪中可替代高温合金的发动机热端结构首选材料。

连续纤维增强陶瓷基复合材料,简称碳陶材料或CMC,是由连续纤维补强增强陶瓷基体复合成材的混搭组合,类似于“钢筋+混凝土”的优势互补。

连续的陶瓷纤维根据需要,可编织成二维或三维的“钢筋”骨架(即纤维预制体)、“混凝土”则为骨架周围紧密填充的陶瓷基体材料“水泥”,形成“1+1大于2”的效果。

碳陶材料主要包括碳纤维增强碳化硅( C/SiC)碳化硅纤维增强碳化硅( SiC/SiC)两种。

这里给大家介绍一下世界三大主要的碳陶生产商,它们分别是GE公司,罗罗公司,普惠公司

GE公司

21 世纪初, GE 公司引入 CMC 材料制造地面燃机的涡轮罩环,同时从静子部件、开始扩展 CMC 在喷气发动机上的应用范围。2016年投入使用的 LEAP-1 发动机的涡轮罩环由 CMC 材料制造,将实现CMC 在商用航空发动机上的首次应用。一旦 GE9X 发动机在 2020 年之后投入使用,将极大扩展 CMC 在商用发动机上的应用范围。该发动机的燃烧室火焰筒、第一级高压涡轮喷管和罩环以及第二级高压涡轮喷管都由 CMC 制造。

罗罗公司

罗 罗计划将 CMC 引入其军民用发动机产品线。其计划内容包括在 Advance 系列的较小型号发动机上使用带有 CMC 内衬的无罩环涡轮以及 urtraFan 概念里的 CMC 喷管。2015 年前后,罗罗公司还与Orbital-ATK公司一道加入了波音公司的 787 环保演示验证机项目,在美国联邦航空管理局( FAA)的 Cleen 项目指导下利用一台 Trent1000发动机测试陶瓷喷管。罗 罗公司 2015 年收购了位于美国加州的专业 CMC 生产商Hyper-Therm 公司,该公司与 NASA 合作开发了首先用于液体火箭推进系统的主动冷却、连续纤维增强 SiC 基复合材料推力室。

普 惠公司

普 惠公司十分注重耐高温陶瓷基复合材料在军民用发动机热端转子部件上的应用研究,而对 CMC 在热端静子部件上的应用效果却并不看好。一部分原因源于普 惠新发动机的低压涡轮级数配置,另一部分原因则是普 惠更加偏爱现金合金材料的热传导性能。普惠主要关注能够承受 2700C 以上高温的 CMC 材料,并认为 CMC 应用于转子件上才能带来最大收益。普 惠还打算在未来高压涡轮转子叶片上使用耐高温能力更强的 CMC 材料,这也是CMC 材料低密度特性的价值所在。

也就是说现在的碳陶材料只能也仅用于高端领域(也就是我们接触不到)的应用。但是高端不代表需求少,根据GE公司的预测:2013-2023 年航空发动机市场对 CMC的需求将递增10倍,除此之外,研究人员也致力于碳陶材料的民用化的研究推广,碳陶刹车盘的应用就是典型的事例。随着航空市场对CMC需求的不断加大,对其性能的要求也在不断上升,所以下一代的碳陶材料也要研发,美国在这方面的研究主要集中以下两个方面:

碳陶刹车盘.jpg

美国下一代CMC用在发动机热端部件时面临两项挑战:一是材料韧性不足,难以满足疲劳性能需求二是材料制备工艺复杂、成本高等问题

目前的应对措施:措施之一是开发不同于GE所用的熔融渗透制备工艺;措施之二是,改进材料成分,改变含硅材料在高温下会与水蒸气反应、造成成分损失的问题。

主要的研究方向:新专利水样聚合物具有更高温稳定性

美国堪萨斯州立大学的研究人员开发出一种水样聚合物(具有与水类似的密度和黏度),可加工成1700℃的陶瓷材料,质量密度比其他超高温陶瓷(如硼化锆和碳化铪等)低3~6倍。这种聚合物由硅、硼、碳、氮和氢5种成分组成,比其他的SiBNC聚合物具有更长的保质期,其生成的陶瓷具有随机微观结构,这种结构在传统陶瓷材料中一般观察不到:硅原子与氮和碳连接而不是与硼连接;碳原子与另一个碳连接形成类石墨烯的链状结构。这种独特的结构可以延迟与氧气的反应,从而使得材料在高温下具有较高的稳定性。

SiC须状纤维可有效增强复合材料韧性

针对火箭发动机中的CMC零件必须承受1600℃的温度,且在氧气中容易产生裂纹及变脆的问题,美国赖斯大学与NASA合作,探索碳纳米管如何改善碳化硅基CMC的耐损伤性能。其中,赖斯大学将碳纳米管和碳纳米线嵌入到NASA提供的碳化硅纤维表面,形成了一个纳米级的“维可牢”(Velcro),纤维暴露在外的部分卷曲,像钩子和环一样,在纤维缠绕的位置产生了很强的内锁连接力,这不仅使得复合材料不易开裂,同时也将复合材料密封起来防止氧气改变纤维的化学成分。

其实,目前国内也有具备生产碳纤维增强陶瓷基复合材料的机构,除了某些高校课题组以外,河南泛锐复合材料研究院也是为数不多的拥有能够自主研发生产碳陶材料的团队,说了这么多,小编就是告诉大家,碳陶材料虽然看似离我们很远,但是随着发展,它的民用化,普遍化是大趋势的必然,所以了解一下,也没什么坏处!