材料科学导论论文

航空发动机耐热材料的发展趋势

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学院：航空工程学院

【摘要】随着航空事业的发展，目前各种发动机需要的是更加轻便、清洁的耐热材料。本文简要介绍了航空发动机与耐高温材料发展的密切关系，就高温材料的发展趋势作出了具体的阐述。指出了高推重比航空发动机用高温结构材料是今后的研究目标和发展方向。

【关键词】航空发动机；高温材料；陶瓷基复合材料；C/C复合材料；金属间化合物

我国航空发动机用材料是随着航空发动机研制和生产的需要发

展起来的，上世纪50年代中期至70年代，主要按苏联标准和实物

水平仿制发动机材料产品，以满足当时以国产材料替代进口材料制

造航空发动机的需要。70年代中后期以来，我国又引进了英、法和美国航空发动机，结合国内情况，编制出一批具有英美标准体系特

点的我国航空发动机材料标准。随着我国航空发动机从仿制到自行

研制四十多年的发展，发动机材料标准也从照搬苏联标准到逐步建

立一个具有我国特色的航空发动机材料标准体系，为航空发动机的

研制、生产发挥了重要的技术支持和保障作用。

目前的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研

究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装

置都带来了高温问题，因此对于材料的耐高温性能有更高的要求。

高温材料的定义：在550°C以上温度条件下能承受一定应力并具有抗氧化和抗热腐蚀能力的材料，适用于制造航空发动机和火箭

发动机的重要承力结构件。高温材料包括高温合金、弥散强化合金、难熔合金、金属纤维增强高温复合材料和陶瓷材料等。高温合金又

称超合金，使用温度范围为550～1100°C。

高温合金是指以铁、镍、钻为基能在600℃以上高温抗氧化或抗腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的一类金属材料，因其合金

化程度很高。在英、美等国称之为超合金。在先进的航空发动机中。高温合金占发动机材料总量的40%─60%。因此，从某种意义上来说，没有高温合金就没有先进的航空工业。但随着发动机涡轮进口温度的不断提高，高温合金由于熔点的限制，最高使用温度已经不

能满足需要。从长远看，必须寻找能耐更高温度的材料代替高温合金，以满足发展更高效率航空发动机的需要。

在当前进行的新型高温材料研究中，陶瓷基复合材料、C/C复合材料、金属间化合物是最为引人注目的几种材料。

一、陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料通俗地说就是以陶瓷材料为基体，通过各种强韧化途径，提高陶瓷材料的强度和韧性。连续纤维增韧是目前陶瓷基

复合材料增韧补强效果最好的途径，正是它使得陶瓷基复合材料成

为新型耐高温、低密度热结构材料，正是它使得陶瓷基复合材料在

航空航天领域开辟出广阔的应用前景。

陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材

料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷

具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，

而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。

二、C/C复合材料

C/C复合材料是指以炭纤维或其织物为增强相，以化学气相渗透的热解炭或液相浸渍－炭化的树脂炭、沥青炭为基体组成的一种纯炭多相结构。它源于1958年，美国C h a n c e－Vo u g h t公司由于实验室事故，在炭纤维树脂基复合材料固化时超过温度，树脂炭化形成

C/C复合材料。

C/C复合材料是一种新型高性能结构、功能复合材料，具有高强度、高模量、高断裂韧性、高导热、隔热优异和低密度等优异特性，在机械、电子、化工、冶金和核能等领域中得到广泛应用，并且在航天、航空和国防领域中的关键部件上大量应用。我国对C/C 复合材料的研究和开发主要集中在航天、航空等高技术领域，较少涉足民用高性能、低成本C/C复合材料的研究。目前整体研究还停留在对材料宏观性能的追求上，对材料组织结构和性能可控性、可调性等基础研究还相当薄弱，难以满足国民经济发展对高性能C/C 复合材料的需求。因此，开展高性能C/C复合材料的基础研究具有重大的科学意义和社会、经济效益。

导弹、载人飞船、航天飞机等,在再入环境时飞行器头部受到强激波，对头部产生很大的压力，其最苛刻部位温度可达2760℃,所以必须选择能够承受再入环境苛刻条件的材料。设计合理的鼻锥外形和选材，能使实际流入飞行器的能量仅为整个热量1%～10%左右。对导弹的端头帽,也要求防热材料在再入环境中烧蚀量低，且烧蚀均匀对称,同时希望它具有吸波能力、抗核爆辐射性能和全天候使用的性能。三维编织的C/C复合材料，其石墨化后的热导性足以满足弹头再入时由160℃至气动加热至1700℃时的热冲击要求，可以预防弹头鼻锥的热应力过大引起的整体破坏;其低密度可提高

导弹弹头射程，已在很多战略导弹弹头上得到应用。除了导弹的再入鼻锥，C/C复合材料还可作热防护材料用于航天飞机。

三、金属间化合物

金属间化合物是指由两个或更多的金属组元或类金属组元按比例组成的具有金属基本特性和不同于其组元的长程有序晶体结构的化合物。金属间化合物具有金属的基本特性，如金属光泽、金属导电性及导热性等。金属间化合物的晶体结构不同于其组元，为有序的

超点阵结构。组元原子各占据点阵的固定阵点，最大程度地形成异

类原子之间的结合。

金属间化合物以其低密度、高强度以及良好的耐热性能，近年来成为高温结构材料研究中十分活跃的领域。金属间化合物兼备了陶

瓷材料和金属材料的双重特性，有可能成为取代镍基高温合金在高

温和腐蚀性环境中应用的新型结构材料。金属间化合物比陶瓷具有

更多的优势，其中金属间化合物具有较好的热传导性，因而作为高

温结构材料使用时，其冷却效率较高而热应力较小，这是与其它新

型材料进行成本竞争的一个重要条件。

但是，由于晶体结构中存在共价键，金属间化合物也存在脆性，这大大限制了它的实际应用。早在20世纪50年代，各国的材料工

作者已经对金属间化合物进行了详细的研究，但终因其所共有的脆

性问题迟迟未能解决而使研究工作一度陷于停滞。直到70年代后期，发现添加硼等可改善其塑性，又重新引起人们的兴趣。

无论是陶瓷基复合材料、C /C复合材料、金属间化合物，在1200─1600℃高温条件下使用, 均未达到与镍基高温合金相抗衡的地步。到目前为止, 新材料在航空发动机上的应用仍然非常有限, 这除了材料性能有待于进一步提高外, 其制造成本也是一个不容忽视的方面。由于高温合金良好的综合性能, 在研制与服役中较长期的经验积累, 今后在相当长的时间内高温合金仍将在发动机高温材料中占有一席之地。对传统材料的研究开发, 仍应予以足够重视, 以最大限度地挖掘传统材料的潜力。因此在相当长的一段时间内, 高温合金仍将是航空发动机高温部件的主要材料。航空发动机的发展对高温材料的要求越来越高, 并且其性能的提高, 在很大程度上是依赖新材料的推动, 研究和开发新的高温材料始终是航空发动机赖以发展的基础之一。因此加强新型高温材料的开发, 加快研制高性能陶瓷基复合材料、C /C 复合材料等的步伐作为未来航空发动机高温部件的材料势在必行。

参考文献：

韩雅芳，郑运荣，航空发动机用高温材料的应用与发展［Ｊ］．世界科技研究与发展。

徐强，张幸红，韩杰才，等，先进高温材料的研究现状和展望［Ｊ］．固体火箭技术。

唐耿林《航空科学技术》航空发动机制造技术与发展趋势。