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耐高温碳化硅陶瓷基复合材料制备工艺研究现状相关项目闰年火车模型

车模    高温    
2019年11月04日

我国近年来在碳化硅纤维和碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料领域取得了一定的进展,但是仍然需要继续大力发展。下面随贤集网小编了解下耐高温碳化硅陶瓷基复合材料制备工艺、研究现状、相关项目的最新进展。

陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料包括两部分,陶瓷纤维和陶瓷基体。陶瓷基复合材料优点很多,比如低密度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等。陶瓷基复合材料工作温度可达1650℃,因此是一种超高温复合材料。但是,陶瓷材料一般脆性较大,限制其在热结构材料领域的应用。通过在陶瓷材料中引入纤维材料,制备连续纤维增强陶瓷基复合材料可有效解决上述问题,大幅度提高强度的同时可改善脆性并提高材料的使用温度。

目前,使用较为广泛的陶瓷基复合材料有碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基(SiC/SiC)复合材料以及碳纤维增强碳化硅陶瓷基(C/SiC)复合材料两种,而碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究最为广泛,其使用温度可达1450℃,高温强度大且重量轻、耐腐蚀,众多优点可改善发动机的性能,因此可用于长寿命航空发动机领域。

制备工艺

碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备工艺主要有聚合物浸渍裂解工艺(Polymer Infiltration and Pyrolysis,PIP)、化学气相渗透工艺(Chemical Vapor Infiltration,CVI)以及反应浸渗工艺(Reaction Infiltration,RI)等。

日本在聚合物浸渍裂解工艺上优势明显,是国际上最早开展聚碳硅烷(PCS)和连续SiC纤维研究的国家;德国则采用反应熔融渗透(Reactive Melt Infiltration,RMI)技术实现了碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料构件的量产;法国的化学气相渗透工艺则处于世界领先地位;美国以化学气相渗透工艺和聚合物浸渍裂解工艺为主。

耐高温碳化硅陶瓷基复合材料国外研究项目

为了研究陶瓷基复合材料在航空发动机热端部位的应用,美、日等发达国家推出了一系列国家级的研究计划与项目,包括IHPTET项目、UEET项目以及AMG项目等。

美国IHPTET项目

集成高性能涡轮发动机技术项目是一项美国军方项目,从1987年开始到2005年结束。IHPTET项目的目标是通过技术研究,促进军用飞机上所使用的燃气轮机发动机的进步。

IHPTET项目在三种发动机类别中指定了目标:涡轮风扇发动机/涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机/涡轮轴发动机以及消耗性发动机。对于涡轮风扇发动机,主要目标是将发动机的推重比加倍。

该项目取得了重大的研究成果,并部署在F-35/联合打击战斗机等飞机上。虽然该项目并没有完全达到预期目标,但是却被广泛认为获得了成功。

美国UEET项目

超高效率发动机技术项目由美国NASA Glenn研究中心负责,从1999年10月1日开始,为期6年,总金额约3亿美金。参与机构除NASA外还有通用电气发动机集团、普惠飞机发动机公司、霍尼韦尔公司、艾利逊/劳斯莱斯公司和威廉姆斯国际公司等5家发动机公司以及波音公司和洛克希德·马丁公司2家飞机制造商。

UEET项目的目标为通过研究推进技术确保系统效率的增加,减少15%的燃料燃烧。在UEET项目下,NASA开发陶瓷基复合材料发动机热端结构,能承受1649℃的涡轮进口温度,冷却需求量比同类高温合金部件减少15%至25%。

日本AMG项目

日本先进材料气体发生器项目(Advanced Materials Gas-Generator,AMG)于1993年启动,为期10年,由日本关键技术中心及其他14家日本企业联合投资。

该项目旨在通过使用先进材料为下一代气体发生器开发关键技术,显著降低未来工业、船舶和飞机燃气轮机的燃料消耗、重量和尺寸。通过对聚合物基复合材料(PMC)、金属基复合材料(MMC)、陶瓷基复合材料(CMC)以及铝化钛(TiAl)等材料进行研究确定下一代气体发生器所使用的先进材料。

相关进展

碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的应用主要包括发动机燃烧室内衬、燃烧室筒、喷口导流叶片、机翼前缘、涡轮叶片和涡轮罩环等部位。以美国为首的发达国家在航空用陶瓷基复合材料领域进行了大量的研究,美国GE公司、橡树岭国家实验室分别是产业界与科研界的代表,此外,日本的大阪府立大学与法国波尔多大学都具有领先的碳化硅陶瓷基复合材料制备技术。大阪府立大学针对PIP工艺的弱点,采用基体掺杂和先驱体改性等工艺,提高了碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的高温性能,而法国波尔多大学的Naslain教授更是被认为是国际CVI碳化硅陶瓷基复合材料的技术鼻祖。

美国GE公司

美国GE公司早在1992年就开始与NASA合作,在使能推进材料项目下开始研发高速民用运输机用陶瓷基复合材料燃烧室内衬,发展至今GE公司一直在寻求陶瓷基复合材料的新发展,截至2017年3月底,GE航空及合资伙伴已经售出了超过12万台使用陶瓷基复合材料零部件的LEAP发动机。

2016年6月16日,美国GE公司对外宣布将在美国阿拉巴马州亨茨维尔市新建两个复合材料工厂,其中一家工厂为碳化硅陶瓷纤维制造工厂,另外一家工厂则会采用碳化硅陶瓷纤维制造陶瓷基复合材料,并最终用于陶瓷基复合材料零部件的制造。美国GE公司碳化硅陶瓷纤维制造工厂的建立具有重要意义,这是美国第一家碳化硅陶瓷纤维制造厂,此前,碳化硅陶瓷纤维市场被日本宇部兴产公司与日本碳公司牢牢占据,该工厂的建立将大幅提升美国生产耐2400°F高温的碳化硅陶瓷纤维的能力。该碳化硅陶瓷纤维工厂获得了美国空军研究实验室2190万美元的资助,预计于2018年建成并投产,全面运行后GE将具有年产20吨的陶瓷基复合材料产能。

此外,空客A320和波音737MAX飞机的LEAP发动机涡轮罩环采用了GE公司与CFM公司共同研制的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料,开创了碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料在商用发动机高压涡轮部件上应用的先河。而2015年GE航空通过F414涡航空发动机验证机首次验证了陶瓷基复合材料低压涡轮叶片的应用,这是世界上首个陶瓷基复合材料航空发动机转动部件。

英国罗尔斯-罗伊斯公司

2016年10月,外媒报道,罗尔斯-罗伊斯公司计划投资3000万美元,扩大其在南加州的研发能力,并将在加利福尼亚州塞浦路斯建立一个新的研究中心,从事陶瓷基质复合材料的生产工艺研究。通过开发碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料,罗尔斯-罗伊斯公司打算将其应用于喷气发动机部件上。罗尔斯-罗伊斯则表示碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能,具有燃气轮机发动机应用所需的强度和耐久性。

橡树岭国家实验室/美国先进陶瓷协会

在美国能源部橡树岭国家实验室的领导下,美国展开了对陶瓷基复合材料的研发工作。CFM国际公司研发的LEAP新型航空发动机,成为第一个广泛应用的陶瓷基复合材料产品。航空发动机护罩衬最热端采用的便是陶瓷基复合材料部件,其工作温度高达2400°F。与镍基高温合金相比陶瓷基复合材料组件需要的冷却空气更少。

2017年1月,美国橡树岭国家实验室对外表示,目前,陶瓷基复合材料需要承受2400°F,而下一代产品则需要承受2700°F,为解决这一挑战,美国先进陶瓷协会正在为先进燃气轮机开发2700°F陶瓷基复合材料的行业驱动路线图。

该路线图将向国会通报2400°F陶瓷基复合材料的成功案例,鼓励投资开发2700°F的陶瓷基复合材料,并强调了陶瓷基复合材料对美国国家安全和环境的贡献。USACA的路线图支持最近国家科学院的研究结果,即对燃气轮机材料和涂料的投资应该是一项高度优先的事项,2700°F陶瓷基复合材料可以显着降低或消除发动机冷却的需求,并提高效率、降低重量。

未来陶瓷基复合材料将根据应用需要在4个时标内承受极端条件,运载火箭的热时间将达到1个小时或更少;若干天的容错燃料;飞机涡轮机的使用寿命需达到数千小时;工业燃气轮机需超过3万小时。

美国国家能源技术实验室

2017年6月,美国国家能源技术实验室介绍了其正在推进的对陶瓷基复合材料在燃气轮机中的应用研究项目。项目致力于提高使用了CMC的能源生产燃气轮机的效率和耐久性,以帮助满足国家日益增长的能源需求,同时平衡对环境问题的顾虑。CMC由陶瓷基体以及填埋在其中的陶瓷纤维构成,材料种类为碳化硅等陶瓷材料,可以承受非常高的温度并具有很高的耐磨性。

随着燃气轮机性能和效率目标的提升,其运行中的温度越来越高于传统上用于涡轮机的超级合金的熔融温度,使得燃气轮机需要更多的空气冷却。CMC的耐高温能力降低了冷却所需要的空气量,从而提高了产出和效率。

高强度CMC材料是独特的美国自主技术,可以使燃气轮机部件的运行温度比使用金属合金部件的高出500华氏度,CMC在单组燃气轮机喷嘴中节约的能效就相当于3700户美国普通家庭的供电量。

最新一代CMC除了具有耐高温能力外,还开发出在相关尺度上生产复杂几何形状的能力,为CMC在燃气轮机中的应用提供了更多机会,而CMC在航空发动机中的使用经验也正在被纳入到能源生产燃气轮机的设计中。

在NETL的赞助支持下,美国通用能源公司正在将高温CMC材料系统应用于热气路径喷嘴,这项工作直接应对能源部对先进燃气涡轮机在联合循环应用中效率超过65%的目标。

美国莱斯大学/NASA

2017年3月,美国莱斯大学与NASA合作,开发出新型碳化硅纤维,使用此种新型材料制备的陶瓷复合材料可以承受航天应用中的高温、高压等极端恶劣条件。

用于高级火箭引擎中的纤维增强复合材料需要承受高达1600摄氏度的高温,目前NASA正在开发的用于火箭引擎中的陶瓷复合材料使用碳化硅纤维作为增强体,但当此种材料暴露于氧气中时,会变脆或者发生断裂。

来自莱斯大学的材料科学家将碳化硅纳米管和纳米线嵌入了NASA使用的碳化硅纤维表面。纤维暴露的部分是卷曲的,可以像环和钩子一样在纳米尺度上起到魔术贴的作用。

研究人员表示,将新型碳化硅纤维植入陶瓷复合材料中,并在火箭喷嘴、或火箭引擎的其它部件中进行测试时,可以增加碳化硅纤维的强度、重量和耐热性。

宇宙航空研究开发机构JAXA

日本JAXA正在研究适用于发动机的碳化硅陶瓷基复合材料。相关研究团队正在研发将镍基耐高温合金替换成碳化硅复合材料等的陶瓷基复合材料的技术。并且与发动机生产商合作,共同分析陶瓷基复合材料在超高温状态下的耐久性和形变的数据,以及超高温材料的实验装置和通用型试验方法。

在降低制造成本的技术方面,与传统制备方法相比,因为可以低温制备,实验可以使用造价较低的碳化硅纤维,目前该技术正在申请专利。

我国耐高温碳化硅陶瓷基复合材料现状

我国目前已经突破了第二代碳化硅纤维和碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研制的关键技术,碳化硅纤维已经具备了小批量的产能,但是与美、日等国仍具有较大差距。

在碳化硅纤维方面,我国起步比日本晚,国防科技大学与厦门大学等科研院校都在从事碳化硅纤维的研究,企业方面,苏州赛力菲陶纤有限公司已经实现了连续碳化硅纤维的产业化生产,但是目前产能仅为吨级,而日本企业已经达到百吨级的产能,因此我国在碳化硅纤维领域与日本差距较大。

在碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料方面,国际发动机巨头企业已经进行了大量的应用研究。GE公司已经在发动机的涡轮罩环、低压涡轮叶片以及燃烧室内外衬套、高压涡轮一级和二级导向器和一级罩环上应用了陶瓷基复合材料。国内方面,西北工业大学、中航工业复材中心、航天材料及工艺研究所、国防科技大学等都进行了相关研究工作,但在工程产业化方面与美、欧等国尚存差距。

结论

在碳化硅连续纤维方面要实现稳定的批量化生产,缩小与日本企业在产能方面的差距。目前我国部分新产品已处于中试生产阶段。此外,我国在碳化硅陶瓷基复合材料构件研究方面发展迅速。

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