航空航天，汽車(chē)工業(yè)，高速列車(chē)都有它——陶瓷基復(fù)合材料CMCs

日期：2021-03-19 瀏覽次數(shù)：次

陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、低密度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕......等優(yōu)良品質(zhì)，但最大軟肋在于“脆性大”，在工業(yè)應(yīng)用中，因陶瓷脆性引發(fā)的制件失效往往是致命的，因此如何讓陶瓷材料不那么脆是材料研究領(lǐng)域極為重要的話題。盡管脆是材料自身基因“化學(xué)鍵性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)”所決定的，但通過(guò)合適的手段增加其韌性，我們還是能彌補(bǔ)其缺陷讓它應(yīng)用于更多領(lǐng)域。

（圖1：連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(SiC/SiC復(fù)合材料)材料綜合性能優(yōu)異，在航空、航天、核能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯、燃燒室筒、噴口導(dǎo)流葉片、機(jī)翼前緣、渦輪葉片和渦輪殼環(huán)等熱端部位。）

提高陶瓷材料的韌性有很多方式，例如提高陶瓷致密度，減少材料表面裂紋；又例如細(xì)化晶粒；或者加入具有增韌效果的成分，制成陶瓷基復(fù)合材料CMCs。今天就讓大家簡(jiǎn)單了解一下CMCs及其主要應(yīng)用。

陶瓷基復(fù)合材料三特：輕、強(qiáng)、耐高溫

陶瓷基復(fù)合材料是指在陶瓷基體中引入作為增韌材料的第二相材料形成的多相復(fù)合材料。根據(jù)增韌方式的不同，可將陶瓷基復(fù)合材料分為顆粒、晶須、層狀和連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。和常規(guī)材料相比，陶瓷基復(fù)合材料具有如下優(yōu)勢(shì)：其密度只有金屬的1/4-1/10，但其強(qiáng)度大、耐磨，尤其是其良好的耐高溫、抗高溫蠕變性能使其在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣，尤其在航空航天的熱端部件上具有巨大優(yōu)勢(shì)，許多國(guó)家已將陶瓷基復(fù)合材料作為了新型的戰(zhàn)略材料。

與其他復(fù)合材料不同，陶瓷基復(fù)合材料的成型工藝相對(duì)復(fù)雜，制備周期長(zhǎng)，成本高，對(duì)設(shè)備要求也高，成品率也難保證，因此，陶瓷基復(fù)合材料通常應(yīng)用于高精尖領(lǐng)域，下文將對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域做簡(jiǎn)單整理。

應(yīng)用1：在航空航天的應(yīng)用

陶瓷基復(fù)合材料被譽(yù)為是世界航空工業(yè)發(fā)展的核心材料技術(shù)。陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的密度只是鎳基合金的1/3，強(qiáng)度則是鎳基合金的兩倍且耐高溫能力提升了100~200℃，自1986年獲得第一個(gè)陶瓷基復(fù)合材料專(zhuān)利以來(lái)，GE公司在30余年的時(shí)間里持續(xù)投入了約10億美元，研究如何利用這種材料在經(jīng)濟(jì)可承受前提下的批量生產(chǎn)，以替代目前廣泛使用的鎳基合金。首個(gè)投入使用的CMC零件是LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪一級(jí)外環(huán)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)有18個(gè)外環(huán)來(lái)引導(dǎo)氣流，保障渦輪葉片的效率，該零件由GE公司阿什維爾工廠制造，同時(shí)該工廠還制造GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)、外襯套和第1級(jí)、第2級(jí)導(dǎo)向器。GE公司認(rèn)為能夠在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中使用CMC的零件如下圖。

（圖2：航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的CMC）

其他應(yīng)用案例：美國(guó)F-119發(fā)動(dòng)機(jī)的矢量噴管內(nèi)壁板、F-414發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室均使用該材料，改進(jìn)了部件的熱力和應(yīng)力分析，減少了冷卻用空氣量，在民用發(fā)動(dòng)機(jī)方面，羅羅公司trent800的扇形渦輪外環(huán)、用于我國(guó)C919的LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器葉片、殼環(huán)也采用陶瓷基材料，其效果已經(jīng)得到驗(yàn)證。

應(yīng)用2：在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用

陶瓷基復(fù)合材料用于汽車(chē)工業(yè)主要用于提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、汽車(chē)制動(dòng)以及噴涂方面。

①在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)中，燃燒能量的絕大部分在傳熱過(guò)程中損失，柴油機(jī)的熱效率在32%-34%，已經(jīng)比汽油機(jī)提高不少，但是仍有60%的熱量被耗散。將陶瓷基復(fù)合材料作為隔熱材料或者隔熱涂層，覆蓋在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行隔熱處理可以有效減少散熱損失，通過(guò)使用陶瓷基材料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行隔熱處理可以將熱效率提高10%-15%，而且其密度小，有效地減輕了整車(chē)的重量，使汽車(chē)的性能有較大的提升。

②陶瓷基復(fù)合材料作為新型剎車(chē)材料，和傳統(tǒng)材料相比，具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定、摩擦損耗量小、制動(dòng)范圍大和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。其中C/SiC材料要比C/C材料制成的剎車(chē)材料性能更出色，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)。陶瓷基復(fù)合材料作為剎車(chē)材料較大地提高了使用溫度，減小了剎車(chē)系統(tǒng)體積，提高了整車(chē)的安全性，其作為新一代剎車(chē)材料具有廣闊前景。

（圖3：高富帥必備碳陶復(fù)合剎車(chē)盤(pán)）

應(yīng)用3：應(yīng)用于高速列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)

隨著列車(chē)速度的提高，盤(pán)形制動(dòng)已成為公認(rèn)的高速列車(chē)制動(dòng)形式。制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)吸收制動(dòng)動(dòng)能并將之轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中，其材料結(jié)構(gòu)和性能不被破壞。我國(guó)高速列車(chē)時(shí)速300km/h和350km/h時(shí)平直道緊急制動(dòng)距離分別為3700m和6500m，所用制動(dòng)盤(pán)需具有以下特點(diǎn)：(1)高機(jī)械強(qiáng)度，以承受高速旋轉(zhuǎn)的離心力和制動(dòng)時(shí)閘片壓力；(2)大而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)；(3)良好的高溫耐磨性，以減少盤(pán)面與閘片間的磨損；(4)較好的抗熱裂性能，使制動(dòng)盤(pán)在聚熱聚冷條件下不產(chǎn)生裂紋；(5)較高熱導(dǎo)率，以提高制動(dòng)盤(pán)的耐熱性能；(6)較低的密度，以降低車(chē)輛簧下質(zhì)量。

（圖4：高鐵開(kāi)得快，剎車(chē)也很重要）

當(dāng)前，世界各國(guó)對(duì)高速列車(chē)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行了大量的研究工作，其重點(diǎn)主要放在制動(dòng)材料的選取上，法、德、日、英等國(guó)致力于開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)制動(dòng)盤(pán)材料之外的新型材料，以減輕列車(chē)簧下重量，降低牽引功率耗損。目前高速列車(chē)制動(dòng)裝置材料的發(fā)展趨勢(shì)是采用密度更低、摩擦因數(shù)更高、耐磨性能更好的鋁基復(fù)合材料、C/C復(fù)合材料或陶瓷基復(fù)合材料。

（圖5：列車(chē)制動(dòng)材料的相對(duì)特性指標(biāo)）

除了如上應(yīng)用，陶瓷基復(fù)合材料在其他惡劣工況下應(yīng)用表現(xiàn)也很優(yōu)秀。陶瓷基復(fù)合材料由于抗化學(xué)腐蝕性好，強(qiáng)度、耐磨性好，是制造密封環(huán)的理想材料，對(duì)于一些工作環(huán)境惡劣的情況，如強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境、高溫濕熱環(huán)境、高振動(dòng)復(fù)合環(huán)境，陶瓷基密封環(huán)都可以較好地工作，使用壽命和工作可靠性可以得到保障。陶瓷基復(fù)合材料強(qiáng)度、剛度大，具有較高的硬度，將其作為防彈裝甲、保險(xiǎn)柜防護(hù)層等均由較好地效果。

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