陶瓷基复合材料

罗罗公司

陶瓷基复合材料的现状和水平
技术发展现状
典型的陶瓷基复合材料
性能 纤维含量（vol.-%） 空隙率（vol.-%） 密度（g/cm3） 拉伸强度（MPa） 弯曲强度（MPa） 断裂伸长率（%） 杨氏模量（GPa） 断裂韧性（MPa.m1/2） 热导率（W/m.K） 热膨胀系数（ppm/K） 最高服役温度（℃） Ox/Ox 30-50 10-40 2.1-2.8 70-280 80-630 0.12-0.4 50-210 58-69 1-4 2-7.5 1000-1100 C/SiC 10-70 1-20 1.8-2.8 80-700 80-700 0.5-1.1 30-150 25-30 10-130 0-7 1350-2100 SiC/SiC 40-60 10-15 2.3-2.9 150-360 280-550 0.1-0.7 70-270 25-32 6-20 2.8-5.2 1100-1600
陶瓷基复合材料的现状和水平
技术发展现状

阶段
三代SiC纤维的比较
牌号
阶段 Nicalon 200 牌号
制造商
制造商
AMPT/℃
AMPT/℃
元素组成/wt% 56Si+32C+12O
56Si+32C+12O 54Si+32C+12O+2Ti 62.5Si+37C+0.5O 元素组成/wt% 密度 /(g/cm3) 2.55 2.48 2.74
2.48
12 11 2.74 11 11 2.39 11 2.48 7.5 2.55 10 3.02 10 3.10 12-14 3.05 12
11
11 12
1250 8000 —— 1500 —— —— 5000 10000 >10000 —— 13000
1500
日本碳公 司
>1500
58.5Si+38.5C+2O+1Zr 2.55 55Si+37.5C+5.5O+2Ti 68Si+32C+0.6Al 3.02 57Si+34.5C+7.5O+1Zr 68Si+32C+0.6Al 3.10 58.5Si+38.5C+2O+1Zr 3.05 67Si+29C+0.8O+2.3B+0.4 68Si+32C+0.6Al N+2.1Ti —— 3.05 68Si+32C+0.6Al 1.85 34Si+12C+1.0O+ 67Si+29C+0.8O+2.3B 40N+11.6B 69Si+31C+0.2O 3.05 +0.4N+2.1Ti —— 34Si+12C+1.0O+ 40N+11.6B 69Si+31C+0.2O

国外陶瓷基复合材料发展计划
企业科研发展计划

GE公司

美国发动机巨头通用电气航空每年投资近10亿美元，用于研发先 进的技术和材料。通用电气公司研究陶瓷基复合材料已经超过20 年。通用电气航空曾承担过政府资助的陶瓷基复合材料燃烧室火 焰筒和低压涡轮叶片的发动机验证机项目。陶瓷基复合材料在通 用电气公司得到了重点研发，并成为当前通用电气公司一系列私 人和政府资助的发动机验证机项目的关键使能技术。陶瓷基复合 材料部件是通用电气公司eCore项目的关键，也是该公司为窄体客 机、支线飞机和公务机研制的下一代喷气发动机的基础。 罗罗公司也把陶瓷基复合材料作为下一代发动机争夺的重点技术
波音建造的陶瓷基复合材料喷嘴 外环直径约1.6米，长约1米，位于 喷嘴前端的尾锥长约2.1米。是有 史以来最大的氧化物陶瓷基复合材 料组件，标志着陶瓷基复合材料的 一个重要成就。
增强体是由3M公司提供得氧化铝纤维 Nextel 610； 氧化物基体采用波音公司提供的核心材 料、ATK-CO提供的泥浆和内部材料组成 的混合基体。 喷嘴按预期完成测试，无热或结构应力 问题。服役寿命的测试时间为55000小时。 预测表明，喷嘴的服役寿命远高于此。 喷嘴下一步将被安装在波音787梦想飞机 上。飞行测试在2013年年底进行，接下 来的十年实现商品化。
陶瓷基复合材料的现状和水平
型号应用情况
LEAP-X发动机的高压涡轮喷嘴和涡 轮环使用了陶瓷基复合材料，使得 LEAP-X发动机的高压涡轮的效率和 耐久性大幅提高，减轻了数百磅的发 动机重量，节重放大效应远远超过3： 1。 CFM公司的Leap-X发动机 leap发动机也融合了多项经过 验证的先进技术：下一代 LEAP高压压气机、以及增材 制造部件等，实现了推力也 比目前最先进的军用战斗机 发动机F135提高5~10%、发 动机燃油效率提高25%、飞 机的作战航程增加30%。 此外，LEAP喷气发动机的低压涡轮 导向器叶片采用陶瓷基复合材料，可 耐1200℃以上的高温，并且不需要冷 却，易于加工。 赛峰公司为LEAP-1设计的陶瓷基复合 材料低压涡轮叶片，已经历了超过 20000小时的测试，预计2016年首飞。
陶瓷基复合材料的现状和水平
技术发展现状
德国航空中心Schneider等对莫来石纤维增 强莫来石(Muf/Mullite )CMCs进行了系统的 研究，已能制备和加工异形复杂构件(如图 1(a)所示)，制备的燃烧室隔热瓦已通过模 拟试验(如图1(b)所示)。
陶瓷基复合材料的现状和水平
技术发展现状

陶瓷基复合材料的现状和水平
型号应用情况
Passport发动机叶片、排气混合器、中心体和核心整流罩。美国通用电气公司 为庞巴迪全球7000和8000飞机研制的Passport发动机将是第一个使用Ox/Ox陶瓷 基复合材料的非军用发动机和第一个以超加工为特点的通用电气商业航空发动 机。Passport高压压缩机的叶片和叶盘以超加工表面为特点，使得叶片比传统 叶片光滑四倍。陶瓷基复合材料和独特的叶片表面，这将提高发动机的性能， 降低油耗和增加耐用性。Passport发动机将产生16500磅的推力，提供：比同类 型发动机低8%的燃油消耗率；保证满足CAEP/6排放和4阶噪声规定；和世界级 的可靠性和支持。 GE9X发动机的旋转组件。通用电气陶瓷基复合材料用于波音777X宽体客机的 GE9X发动机的旋转组件。其关键特征包括直径3.35米的复合材料风扇机匣和 16片复合材料叶片、下一代压比为27的高压压气机、更高效率和更低排放的第 三代双环预混旋流燃烧室、燃烧室和涡轮应用的陶瓷基复合材料。通用电气估 计GE9X发动机采用陶瓷基复合材料涡轮转子叶片将降低总重约455公斤，相当 于GE90-115发动机干质量的6%。GE9X发动机的推力级别达到10万磅，燃油效 率较目前的GE90-115B将提高10%。
Ox/Ox
氧化物/氧化物CMCs 应用实例
该材料体系在航空发动机燃烧室内外衬、直升机用轻质排 风管和空间飞行器鼻锥等热端部件的应用实例
陶瓷基复合材料的现状和水平
技术发展现状
碳化硅基复合材料
碳化硅基体有更高的耐热冲击能力，可以承受高于1316°C的温 度。 C/SiC的使用最高温度可达2000℃，SiC/SiC的最高使用温度为 1600℃。 C/SiC抗氧化性能较SiC/SiC差，在高温下只能短时间使用。在高 于400℃的氧化性气氛中，C纤维就会被氧化，导致材料性能降低， 甚至失效，从而限制了C/SiC的更广泛应用。 相对于C纤维，SiC纤维具有更好的抗氧化能力，且与SiC陶瓷基 体有极好的相容性，SiC/SiC是耐高温能力和高热导性的极佳结 合体。航空发动机热端部件最终获得应用的应该是SiC/SiC。因 此提高SiC纤维的使用温度是保证SiC/SiC用于1650℃以上的关键。

直径/μm 估价/（美 密度 /(g/cm3) 元/kg） 直径/μm 估价/（美元 /kg） 2.55 14 2000
14 2000 1250 8000 ——
54Si+32C+12O+2Ti
55Si+37.5C+5.5O+2Ti 2.39 62.5Si+37C+0.5O 57Si+34.5C+7.5O+1Zr 2.48
陶瓷基复合材料的现状和水平
型号应用情况
罗罗公司下一代UltraFan（左）和Advance（右）设计
罗罗公司于2014年2月公布其下一代的发动机的设计细节， 并可以十年内准备好。罗罗表示希望在成功的Trent系列基础 上建立两个新一代的发动机设计。第一个设计“Advance”和第 二个设计“UltraFan”，其中关键技术包括先进的陶瓷基复合材 料——在高温涡轮中更有效地运作的耐热组件。目前该技术 已属于开发的后期阶段。
日本碳公 1200 1200 Nicalon 日本碳公 司 200 司 第一代 第一代 Tyranno 1200 日本宇部 Tyranno 1200 日本宇部 兴产 Hi-Nicalon 1300 日本碳公 兴产 司 1300 Tyranno 日本宇部 Hi-Nicalon 1300 日本碳公 Lox-E 第二代 兴产 1300 Tyranno 司 ZM Tyranno ZE 日本宇部 13001300 Lox-E 第二代 Tyranno >1700 第三代 Tyranno 日本宇部 SA1 兴产 Tyranno ZM 1300 兴产 >1700 Tyranno Tyranno ZE 1300 SA3 Sylramic >1700 美国道康 >1700 第三代 Tyranno SA1 日本宇部 宁 >1700 Sylramic Tyranno SA3 >1700 兴产 iBN Siboramic >1500 德国拜耳 Sylramic 美国道康 >1700 >1500 Hi-Nicalon 日本碳公 宁 Type-S 司 Sylramic iBN >1700 Siboramic 德国拜耳 >1500 Hi-Nicalon Type-S
陶瓷基复合材料的现状和水平
技Baidu Nhomakorabea发展现状

Ox/Ox


氧化物CMCs使用温度极限为1100℃，抗氧化性能优异， 可以在高温环境下长期使用。 商用的氧化物纤维主要有美国3M 公司的 Nextel系列纤维 和 Dupont 公司的 FP 和 PRD-166 系列纤维，日本 Sumitomo 公 司 的 Altex 系 列 、 Mitsui 公 司 的 Almax 系 列 、 DenkaNivity公司的Nivity系列和Nitivy公司的Nitivy ALF系列纤 维，以及英国ICI公司的Saffil系列纤维等 氧化物 CMCs 的基体主要有： α-Al2O3 、 Mullite( 莫来石 ) 、 Cordierite( 堇青石 ) 、 YAG( 钇铝石榴石 ) 、 ZrO2 、 LAS( 锂 铝硅)和BAS(钡铝硅)玻璃等
陶瓷基复合材料
2014年9月12日 胡燕萍 工程师
目录

国外陶瓷基复合材料发展计划

国家层面发展计划 企业发展计划 技术现状 型号应用情况 技术难点 发展趋势

陶瓷基复合材料发展现状和水平


陶瓷基复合材料的技术难点及下一步发展趋势

国外陶瓷基复合材料发展计划
政府发展计划
美国海军和空军为满足六代机的需求，在2007年就启动了相 关配套发动机的研制的“自适应多用途发动机技术”（ ADVENT）项目，目的是开发新型陶瓷基复合材料提高涡轮 前温度； 后续为核心机涡轮叶片开发启动的“自适应发动机技术开发 ”（AETD）项目将陶瓷基复合材料列为三大关键技术之一 下阶段，美国预计继续启动下一代（NextGen）项目推进第 六代战斗机F-X配套发动机的技术成熟。 美国NASA制定的先进高温热机材料计划（HITEMP） DOE/NASA的先进涡轮技术应用计划（ATTAP） 美国国家宇航计划（NASP） 日本的月光计划 其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650℃或更 高，从而提高发动机涡轮进口温度，达到节能、减重、提高推 重比和延长寿命的目的，满足军事和民用的需要。
11 11 5000 11 10000 11 >10000 7.5 —— 10
—— —— 13000
3.05 1.85 3.05
10 12-14 12
注：上述数据来源不同，仅用作宏观对比。
陶瓷基复合材料的现状和水平
型号应用情况
2013年1月，美国宇航局密西西比州的斯坦 尼斯航天中心将波音研制的喷嘴，安装在 罗罗Trent 1000发动机钻机后端，用于加速 测试，73小时的测试成功完成标识着该项 目的一个里程碑。