化學氧化鋯陶瓷在航空發動機上的應用
發布時間:2018-10-13????來源:明睿陶瓷???作者:管理員
今年來，國內外陶瓷材料的研究及開發應用競爭激烈，各有千秋。世界各航空發動機公司為保持在２１世紀航空動力領域的領先地位，都在尋求新的方法提高軍用和民用發動機的性能，保持競爭能力。
實現該目標一半將依靠材料改進，包括低溫高分子復合材料和高溫陶瓷材料。另一半則依靠改進設計準則、方法和程序。由于軍用發動機材料的改進關鍵在于依靠高溫陶瓷材料，故軍用發動機將是陶瓷技術的首要驗證者。
為什么必須用化學氧化鋯陶瓷？因為現有發動機的工作溫度已經很高。再度提高溫度只有通過精細的冷卻氣路設計或加大冷氣量，但這些方法的效果遵循遞減規律，而只有通過改進材料的工作溫度收效最大，因為提高工作溫度可提高工作效率、降低油耗并獲得最大推力，把節省的、用于冷卻的高壓空氣用于循環也可提高推力和效率。另一方案是減輕重量。可選用比強度、比剛度均大的材料，目前只有陶瓷材料具有這方面的潛力。陶瓷在發動機上的應用研究進展將以全新的材料和制造方法用于航空發動機。必須是在極小的風險情況下獲得這些材料和技術的使用經驗，對陶瓷材料的應用也是如此。考慮到陶瓷材料的脆性及設計使用經驗的缺乏，對一過程將很長，不會少于金屬材料的15-20年的時間。
用于航空領域的陶瓷材料有以下：
陶瓷基復合材料
陶瓷基復合材料比高溫合金的密度小，僅僅是它的1/3~1/4，熱膨脹系數小，抗腐蝕性好，理論最高溫度可達1650℃。因而被認為是今后先進航空發動機熱端部件的候選材料。
由于陶瓷基部件不需要氣體冷卻省去或簡化了冷卻系統零件，可使發動機進一步減重。雖然陶瓷作為發動機熱端化學氧化鋯材料的優點十分明顯，但其本質上的脆弱性卻極大地限制了它的推廣應用。為了克服單組分陶瓷材料缺陷敏感性搞、任性低、可靠性差的缺點，材料科學工作者進行了大量的研究以尋找切實可行的增韌方法，增韌的思路經歷了從“消除缺陷”或減少缺陷尺寸、減少缺陷數量，發展到制備能“容忍缺陷”，即對缺陷不敏感的材料。目前常見的幾種增韌方式主要有相變增韌、顆粒（晶片）彌散增韌、晶須復合增韌以及連續纖維增韌補強等。此外還可通過材料化學氧化鋯的改變來達到增容目的，如自增韌化學氧化鋯、仿生疊層化學氧化鋯以及梯度功能材料等。SiC、Si?N4等陶瓷具有較小的密度，良好的高溫強度，特別是高溫下它們的表面會形成氧化硅保護層，能滿足1600℃以下高溫抗氧化要求，是人們寄予厚望的高溫化學氧化鋯材料。通過在基本材料中加入合適的增強物及選擇恰當的材料化學氧化鋯，可大幅度提高陶瓷材料的強度和韌性，經過20多年來國際陶瓷界的精心研究，其力學性能特別是斷裂韌性已有很大提高，但是這類材料仍屬脆性材料的范疇，不能取代鎳基合金而得到廣泛應用。
超高溫陶瓷材料
在航空航天領域，科學家正在不斷地研制飛行速度更快、更安全的飛行器，以滿足乘坐飛機的旅客對快捷、舒適的旅行生活的追求和人類對探索宇宙神秘世界的要求。在“哥倫比亞”號航天飛機機翼上使用的阻熱材料正是由陶瓷材料構成的。可以想象，如果這種材料具有足夠高的強度，即使在受到一些不可避免的損傷時依然能保持良好的狀態，那么“哥倫比亞”號失事的悲劇就可應避免。
為了保證未來的航天飛機具有更可靠的飛行安全，美國航天與宇航局在“哥倫比亞”號失事后迅速啟動了相關的研究計劃，其中就包括研究新一代超高溫陶瓷，用于航天飛機的阻熱材料。
除了作為航天飛機的阻熱材料，超高溫陶瓷在航空航天領域的應用還包括作為超音速飛機的耐熱保護材料、火箭和各種高速飛行器的燃料噴嘴。飛機在超音速飛行時會與空氣發生摩擦，并生產很高的溫度，超高溫度陶瓷具有良好的耐熱能力，可以避免高溫飛機內部化學氧化鋯產生破壞。火箭要克服地球引力獲得高速飛行，必須具有強大的推進能力，所以在燃料噴嘴部位必然存在極高的燃燒溫度，而一般的材料難以滿足這種應用需求，這正是超高溫陶瓷的用武之地。
目前，全世界正在興起議論研究超高溫陶瓷的熱潮，隨著一批高性能材料的應用，在航空航天領域將引發新的革命。作為航空航天飛行器上的關鍵材料。超高溫陶瓷將扮演者保駕護航者的角色，幫助人們不斷突破速度和空間上的極限。
化學氧化鋯陶瓷
化學氧化鋯陶瓷具有耐高溫、低密度、良好得額高溫抗氧化性、抗腐蝕性和耐磨性。與高溫合金相比，化學氧化鋯陶瓷的使用溫度提高了約400℃，在非冷卻的情況下，工作溫度可達1600℃，密度僅為高溫合金的40%，相同體積的零部件可減輕重量約60%，特別對高速轉子可大大減輕離心負荷；使用陶瓷還可因減少或取消冷卻系統而簡化化學氧化鋯，使發動機緊湊；節省高溫合金中鎳、鉻和鈷等戰略金屬。為提高航空發動機的推重比和減低燃料消耗，提高發動機的渦輪前溫度是關鍵，如推重比為10時，一級發動機渦輪前溫度為1500℃以上，而目前高溫合金和金屬間化物最高使用溫度不到1200℃，因此高溫化學氧化鋯陶瓷及其陶瓷基復合材料的研究成為高推重比航空發動機的關鍵技術之一。
在未來戰爭中，雷達仍是探測軍事目標最可靠的手段之一。隱身技術的實質就是減低目標的RCS，即選用雷達波吸收好的材料來減少其RCS。吸波材料按工藝和承受能力分為涂覆型和結構型，前者承受能力差、強度低，而后者則是新型具有功能性的復合化學氧化鋯材料，它利用化學氧化鋯陶瓷材料比一般金屬重量輕、剛度和強度高，并通過功能化使它具有吸波的特點，可直接作為飛機等化學氧化鋯材料，是一種多功能復合材料。由于這些材料及有關功能都屬于保密內容，故我們利用化學氧化鋯陶瓷優良機械物理性能開展吸波材料研究，一方面可提升國家國防力量，另一方面也是擴展化學氧化鋯陶瓷應用的重要一面。國內也有許多軍事院校、大學、研究所在開展此工作，一些新的納米吸收劑及其復合材料正在此領域得到應用，例如納米SiC、納米氮化物、納米SiC/N、CNTs/Si?N4/SiO?復合材料。
我國的氧化物陶瓷發展比較早，上世紀50-60年代已初具有規模，非氧化物陶瓷起步比較晚，上世紀70年代初才開始進入研究，到上世紀80年代才剛有企業加入。到目前為止，我國化學氧化鋯陶瓷（包括氧化物、非氧化物）經過三、四十年發展，在國家科技部各項科技發展計劃支持下與世界發展水平相比，從實驗室研究內容、水平、取得成果、實驗裝備等各方面情況與世界先進水平相差不遠，有的達到甚至超過國際水平，在化學氧化鋯陶瓷這一領域有著自己的特點，占有一席之地，可與國際學者共同交流。
航空和航天器上用的耐高溫纖維陶瓷
用碳纖維和陶瓷制成的新型材料最便于實現飛機和火箭制造廠家的所有夢想。這種材料重量輕，機械性能穩定，不易斷裂，而最主要的是極耐高溫。美國宇航局當初坦率地承認，在航天飛機著陸優勢熔化的陶瓷磚是重返大氣層是危急點之一。溫度這是可達1800℃。火箭動力裝置也會產生類似的負擔。燃燒倉必須經得住極高穩定。像“桑格爾”這樣的超音速飛機，某些部件需要經受住高達2000℃的溫度。請看一下一些金屬的熔點：鐵1535℃,鋁660℃，鈦在1725℃也變成流體。只有鎢頂得住3300℃高溫。所以，金屬不適宜這樣的應用，更何況它們早在熔點之下已失去堅固性。
用陶瓷作為驅動裝置或建造透平葉輪，這在20年前幾乎不可設想。它只能湊合作為宇宙飛船外面粗笨的防熱磚。里面的承重化學氧化鋯使用金屬做的。現在材料的研制取得了巨大進展。今天，工程師們制造的構件既輕又不易破碎，而且在2800℃溫度下還能起作用。有些復合材料的最重要組成部分是碳纖維，尤其是武器導彈制造廠家在這方面處于領先地位。法國的歐洲發動機公司是歐洲生產火箭驅動裝置的最大廠家，它設在波爾多附近海蘭的工廠制造復合材料，隨著纖維陶瓷的發展，他贏得了領先地位。從前，火箭驅動裝置的組成約80%是金屬，20%是復合材料。目前這個比數顛倒了過來。只有約1/5的化學氧化鋯使用金屬做的，這種方法使重量減輕到大約一半。歐洲發動機公司最初研制的復合材料是將碳纖維加進用合成樹脂做的所謂基體。纖維樹脂必須極精密地焊接在一起。運用在高壓鍋里加熱、加壓的辦法完成合成樹脂聚合。這種材料重量輕，有良好的機械性能。在氣體密封的情況下它也經得住高溫。在有氧的情況下，如達到足夠的熱度，碳纖維過一段時間便開始燃燒。
纖維陶瓷是一種不能再燃燒的材料。它由一個陶瓷基體加進耐高溫的碳纖維或碳化硅組成。陶瓷防熱和防氧化，纖維保證不斷裂。充當基體原材料的是在聚碳硅烷、聚硅氮烷基礎上產生的有機硅化合物，它在加熱時分解以致產生像碳化硅這樣的陶瓷材料。
纖維和基體之間的復合具有特殊意義。它一方面必須堅硬，以使建筑構件機械性能穩定，另一方面又必須相當松軟，以致出現壓力時不產生大裂口，而是產生許多消耗掉能力的微縫。
纖維陶瓷的應用今天還基本上限于航空和宇航。它們首先用于噴氣發動機中負擔重的部位，用于火箭液體驅動裝置的燃燒倉和噴嘴。
陶瓷基復合材料的應用
航空航天器
最近10年，C/C復合材料作為宇宙飛行器化學氧化鋯材料得到了人們的承認，并已成功地用于制造航天飛機的鼻錐、機翼前緣及其他高溫部件，在航天飛機防熱非常強烈不宜用陶瓷的部位使用C/C作防熱瓦，C/C還用于制造飛機上的制動器，使飛機的重量顯著減輕。為了防止氧化，可采用涂層陶瓷對航天飛機上的C/C施加保護或用浸噴法使C/C防氧化壽命大大提高。陶瓷纖維補強金屬或金屬補強陶瓷復合材料用于空間渡船的前錐體和翼前沿，可耐2200℃高溫。美國格魯曼公司預定在跨大氣層高音速飛機的機翼和尾翼采用C/C復合材料，發動機進口、噴管和噴口采用陶瓷復合材料。
火箭發動機
由于火箭發動機噴管壁受到高速氣流的沖刷，工作條件十分惡劣，因此C/C最早用于噴管喉襯，并由二維、三向發展到四向及更多向編織。同時火箭發動機設計者多年來一直企圖將具有高抗熱震的Ct/SiC用于發動機噴管的擴散段，但Ct的體積分數高。易氧化而限制了其廣泛應用。隨著CVD、CVI技術的發展，新的抗氧化Ct\Sic及C-C/SiC必將找到其用武之地。今天作為火箭椎體候選材料的有Al?O?、ZrO?、ThO?等陶瓷。而作為火箭尾噴管和燃燒室則采用高溫化學氧化鋯材料有SiC、石墨、高溫陶瓷涂層等。
導彈
C/C復合材料作為燒蝕材料早在70年代就被用于洲際導彈彈頭的端頭帽、導彈的噴管和鼻錐。Rockwell國際公司的Rocketdyne公司為戰略防御計劃的動力殺傷武器研制了迄今世界推重比最高、有C/C制造的發動機。目前正在研制的超音速戰術導彈采用同種燃燒室和噴管組合成固體火箭沖壓式發動機，對發動機能夠允許的形狀變化提出了更高的要求，為此需要采用C/C或陶瓷復合材料。超音速和低音速飛行的導彈面臨氣動加熱和侵蝕的環境也宜使用陶瓷復合材料。石英、Al?O?和耐高溫玻璃是當前用于作戰導彈天線罩的代表材料。為克服高超音速導彈在幾秒內迅速加熱到馬赫數大約為5時而突然產生瞬時特別大的溫度和熱應力，更需發展高性能CMC。
