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专稿

新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展

ProgressinResearchWorkofNewCMC-SiC

西北工业大学张立同成来飞徐永东

[摘要]介绍了碳化硅陶瓷基复合材料的应用和化硅纤维增韧碳化硅(SiC/SiC)两种,由于碳纤维价格
发展现状,阐述了CVI-CMC-SiC制造技术在我国便宜且容易获得,因而C/SiC成为SiC陶瓷基复合材
的研究进展,开展了CVI-CMC-SiC的性能与微结料研究、考核与应用的首选。CMC-SiC的应用可覆
构特性的研究和CVI过程控制及其对性能影响的研盖瞬时寿命(数十秒～数百秒)、有限寿命(数十分钟～
究,研制了多种CMC-SiC和其构件。材料性能和整数十小时)和长寿命(数百小时～上千小时)3类服役
体研究与应用水平已跻身于国际先进行列。环境的需求。用于瞬时寿命的固体火箭发动机,C/SiC
关键词:CVI制造技术CMC-SiC微结构的使用温度可达2800～3000℃;用于有限寿命的液
应用研究体火箭发动机,C/SiC的使用温度可达2000～2200
[ABSTRACT]Theapplicationanddevelopment℃;用于长寿命航空发动机,C/SiC的使用温度为1650
ofCMC-SiCandtheprogressintheresearchworkof℃,SiC/SiC为1450℃,提高SiC纤维的使用温度是
CVI-CMC-SiCfabricationtechnologyinChinaare保证SiC/SiC用于1650℃的关键。由于C/SiC抗氧
introduced.Thepropertiesandthemicrostructurefea2化性能较SiC/SiC差,国内外普遍认为,航空发动机热
turesofCVI-CMC-SiC,andtheCVIprocesscontrol端部件最终获得应用的应该是SiC/SiC。
anditseffectonthepropertiesofCMC-SiCareinvesti2因此CMC-SiC被认为是继碳-碳复合材料(C/
gated.ManykindsofCMC-SiCmaterialsandtheirC)之后发展的又一新型战略性材料,可大幅度提高现
structuralpartsaredeveloped.Thematerialproperties有武器装备和发展未来先进武器装备性能,发达国家
andtheresearchandapplicationofCMC-SiCinChina都在竞相发展。此外,CMC-SiC在核能、高速刹车、
asawholecankeeppacewiththatofadvancedcountries燃气轮机热端部件、高温气体过滤和热交换器等方面
intheworld.还有广泛应用潜力。
Keywords:CVIfabricationtechnologyCMC-
1碳化硅陶瓷基复合材料的应用与发展现状
SiCMicrostructureAppliedresearch
高性能动力是发展先进航空和航天器的基础。提
陶瓷材料的耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧高航空发动机的推重比和火箭发动机的冲质比是改善
化和抗烧蚀等优异性能,使其具有接替金属作为新一先进航空和航天器性能的必经之路。这些都要求不断
代高温结构材料的潜力。但是,陶瓷材料的脆性大和降低发动机的结构重量和提高发动机构件的耐温能
可靠性差等致命弱点又阻碍其实用化。在发展的多种力。因此,发展耐高温、低密度的新型超高温复合材料
增韧途径中,连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CFR2来接替高温合金和难熔金属材料,成为发展高性能发
CMC,简称CMC)最引人注目,它可以具有类似金属的动机的关键和基础。国际普遍认为,CMC-SiC是发
断裂行为、对裂纹不敏感、没有灾难性损毁。70年代动机高温结构材料的技术制高点之一,可反映一个国
初期法国Bordeaux大学Naslain教授发明了化学气相家先进航空航天器和先进武器装备的设计和制造能
渗透(ChemicalVaporInfiltration,CVI)制造连续纤维力。由于其技术难度大、耗资大,目前只有法国、美国
增韧碳化硅陶瓷基复合材料(简称CMC-SiC)的新方等少数国家掌握了连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材
法并获得专利,现已发展成为工程化技术,尔后美国购料的产业化技术。
买了此项法国专利。1.1高推重比航空发动机领域
CMC-SiC具有高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀、高推重比航空发动机用高温长寿命CMC-SiC正
抗氧化和低密度等特点,其密度为2～2.5g/cm3,仅是在向实用化发展,已在多种军、民用型号发动机的中等
高温合金和铌合金的1/3～1/4,钨合金的1/9～1/10。载荷静止件上演示验证成功(见