導(dǎo)語
高性能特種陶瓷材料也被稱作先進陶瓷、新型陶瓷，主要是指以高純度人工合成的無機化合物為原料，采用現(xiàn)代材料工藝制備，具有獨特和優(yōu)異性能的陶瓷材料。因此，該材料被用于陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的制備，具有低密度、高溫抗氧化、耐腐蝕、低熱膨脹系數(shù)、低蠕變等優(yōu)點，在航空/航天/兵器/船舶等高技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。其中碳化硅基陶瓷復(fù)合材料是目前研究最為深入、商業(yè)化最好的高性能特種陶瓷材料。
采用陶瓷基復(fù)合材料葉片的渦輪轉(zhuǎn)子
為了提高燃機輸出效率，航空航天發(fā)動機、燃氣輪機的熱端部件需承受600℃～1200℃的高溫以及復(fù)雜應(yīng)力的交互作用，材料要求非?？量獭Ｏ噍^于高溫合金，碳化硅不僅能夠承受高溫，其密度僅有高溫合金的1/4~1/3，這意味著發(fā)動機重量可以進一步降低，相同載油量情況下，飛機的航程及載彈量可大幅提升。
需求端，隨著高推重比航空發(fā)動機的定型、空間飛行器技術(shù)的迫切需求和快速發(fā)展，CMC作為新一代材料，已在軍用、民用領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。根?jù)MarketsandMarkets預(yù)測，2016-2026年10年間，全球陶瓷基復(fù)合材料市場將以9.65%的CAGR迅速增長，在2026年前將達到75.1億美元。
國外碳化硅纖維起步早，技術(shù)儲備雄厚，由于技術(shù)壁壘極高價格一致居高不下，且一致對中國禁運。日本NipponCarbon和UbeIndustries是國際市場最主要的SiC纖維生產(chǎn)廠家，總產(chǎn)量占到全球的80%左右。國內(nèi)上市企業(yè)中僅有火炬電子能夠量產(chǎn)第三代碳化硅纖維，其CASAS-300特種陶瓷材料含氧量則完全達到了第三代的標準。
陶瓷基復(fù)合材料
什么是陶瓷基復(fù)合材料？它是一種以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而致命的弱點是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時，會產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強度、高彈性的纖維與基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料。
陶瓷基復(fù)合材料已用作液體火箭發(fā)動機噴管、導(dǎo)彈天線罩、航天飛機鼻錐、飛機剎車盤和高檔汽車剎車盤等，成為高技術(shù)新材料的一個重要分支。
由于陶瓷材料具備優(yōu)良的耐磨性，并且硬度高、耐蝕性好，因此獲得了非常廣泛應(yīng)用。但是，陶瓷的最大缺點是脆性大，對裂紋、氣孔等很敏感。20世紀80年代以來，通過在陶瓷材料中加入顆粒、晶須及纖維等得到的陶瓷基復(fù)合材料，讓陶瓷的韌性大大提高。
陶瓷基復(fù)合材料具有高強度、高模量、低密度、耐高溫、耐磨耐蝕和良好的韌性，已用于高速切削工具和內(nèi)燃機部件上。但這類材料發(fā)展較晚，其潛能尚待進一步發(fā)揮。研究重點是將其應(yīng)用于高溫材料和耐磨、耐蝕材料，比如大功率內(nèi)燃機的增強渦輪、航空航天器的熱部件以及代替金屬制造車輛發(fā)動機、石油化工容器、廢物垃圾焚燒處理設(shè)備等。
說到陶瓷，人們很自然想到它的特點就是脆性。十幾年前，如果把它用于工程領(lǐng)域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到現(xiàn)在說到陶瓷復(fù)合材料，可能有些人不清楚，認為陶瓷和金屬原本就是兩種不相關(guān)的基本材料，但是自從人們巧妙地將陶瓷和金屬結(jié)合后，才使人們對這種材料的概念發(fā)生了根本的變化，這就是陶瓷基復(fù)合材料。
陶瓷基復(fù)合材料在航空工業(yè)領(lǐng)域是一種十分有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)材料，尤其是在航空發(fā)動機制造應(yīng)用中，越來越顯示出它的獨到之處。陶瓷基復(fù)合材料除了具有重量輕，硬度高的優(yōu)點以外，還具有優(yōu)異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。目前陶瓷基復(fù)合材料在承受高溫方面已經(jīng)超過了金屬耐熱材料，并具有很好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是高性能渦輪發(fā)動機高溫區(qū)理想的極好材料。
全球各國針對下一代先進發(fā)動機對材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增強陶瓷材料，并取得了很大的進展，尤其應(yīng)用在現(xiàn)代航空發(fā)動機中。比如美國驗證機的F120型發(fā)動機，它的高壓渦輪密封裝置，燃燒室的部分高溫零件，均采用了陶瓷材料。再比如法國的M88-2型發(fā)動機的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復(fù)合材料。
碳/碳復(fù)合材料
什么是碳/碳復(fù)合材料？ 它是碳纖維及其織物增強的碳基體復(fù)合材料。具有低密度(<2.0g/cm3)、高強度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)、摩擦性能好，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點，尤其是在1650℃以上應(yīng)用的少數(shù)備選材料，最高理論溫度更高達2600℃，因此被認為是全球最有發(fā)展前途的高溫材料之一。
雖然碳/碳復(fù)合材料有很多十分優(yōu)良的高溫性能, 但它在溫度高于400℃的有氧環(huán)境中發(fā)生氧化反應(yīng)，從而導(dǎo)致材料的性能急劇下降。所以，碳/碳復(fù)合材料在高溫有氧環(huán)境下的應(yīng)用必須有氧化防護措施。碳/碳復(fù)合材料的氧化防護主要通過以下兩種途徑，即在較低的溫度下可以采取基體改性和表面活性點的鈍化對碳/碳復(fù)合材料進行保護;隨著溫度的升高，則必須采用涂層的方法來隔絕碳/碳復(fù)合材料與氧的直接接觸，以達到氧化防護的目的。當前使用最多的是涂層的方法，隨著科技不斷進步，對碳/碳復(fù)合材料超高溫性能的依賴越來越多，而在超高溫條件下唯一可行的氧化防護方案只能是涂層防護。
值得一提的是，C/C基復(fù)合材料是近一些年來全球最受重視的一種更耐高溫的新材料。因為只有C/C復(fù)合材料是被認為唯一可做為推重比20以上，發(fā)動機進口溫度可達1930-2227℃渦輪轉(zhuǎn)子葉片的后繼材料，曾經(jīng)是美國21世紀重點發(fā)展的耐高溫材料，尤其是全球先進工業(yè)國家拼力追求的最高戰(zhàn)略目標。
所謂C/C基復(fù)合材料，就是碳纖維增強碳基本復(fù)合材料，它把碳的耐熔性與碳纖維的高強度及高剛性結(jié)合于一體，使其呈現(xiàn)出非脆性破壞。由于C/C基復(fù)合材料具有重量輕、高強度，優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和極好的熱傳導(dǎo)性，因此，是當今最理想的耐高溫材料，特別是在 1000-1300℃的高溫環(huán)境下，它的強度不僅沒有下降，反而能夠提高。特別是在1650℃以下時仍然還保持著室溫環(huán)境下的強度和風度。因此C/C基復(fù)合材料在宇航制造業(yè)中具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
值得一提的是， C/C基復(fù)合材料在航空發(fā)動機應(yīng)用的一個主要問題是抗氧化性能較差，所以，近幾年美國通過采取一系列的工藝措施，讓這一問題獲得解決，并且逐步應(yīng)用在新型發(fā)動機上。比如美國的F119發(fā)動機上的加力燃燒室的尾噴管，F(xiàn)100發(fā)動機的噴嘴及燃燒室噴管，F(xiàn)120驗證機燃燒室的部分零件都已經(jīng)采用了C/C基復(fù)合材料制造。再比如法國的M88-2發(fā)動機，幻影2000型發(fā)動機的加力燃燒室噴油桿、隔熱屏、噴管等也都采用了C/C基復(fù)合材料。
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