挖掘北京航展亮点：国产陶瓷基复合材料走上日程

前日举行的北京航展上，作为北京航展的主办单位之一，中国航发携多款新产品亮相本届北京航展，除AEF50E涡扇发动机、WZ16涡轴发动机、AEP500涡桨发动机等型号产品以外，值得一提的是陶瓷基复合材料（CMC）的零件被中国航发展示，这也是中国国产陶瓷基复合材料以零件的形式首次公开亮相。

展示的CMC材料零件是发动机的涡轮导向叶片和微型喷气发动机的涡轮的试验件，标志着我国CMC材料的研究早已提上日程。

陶瓷基复合材料轻质、高强、耐高温，是发动机高温部件的理想材料。

传统陶瓷材料虽然耐高温性好，但脆性大，限制了其在高温结构部件上的应用。而纤维增强的陶瓷基复合材料（CMC）与树脂基复合材料性质相当，都是采用纤维+基材的形式，只不过树脂基复合材料采用碳纤维+树脂基体，而陶瓷基复合材料则一般采用碳化硅纤维+陶瓷基体的形式。由于采用了碳化硅纤维增强，CMC材料克服了陶瓷基体材料的脆性，但保留了其优异的高温性能，而且相比于高温合金重量更轻，密度仅为镍基高温合金的1/3；耐高温性更好，应用温度比镍基高温合金高260℃；而且减少冷却气体的应用使发动机效率更高。

据统计，在喷气发动机的历史里，过去采用金属材料时，发动机涡轮材料的温度平均每十年增加10℃，然而，随着陶瓷基复合材料的引入，仅在这十年，它就将材料温度提高了66℃。

在多种纤维和基材的组合当中，目前研究最为广泛的是以碳化硅为基体的材料因为碳化硅基体具有更高的耐冲击能力，而且可承受高于1300°C的高温。而增强纤维主要研究有两种，一种是碳纤维增强，另一种是碳化硅纤维增强，即碳纤维增强碳化硅（C/SiC）和碳化硅纤维增强碳化硅（SiC/SiC）。其中碳纤维增强碳化硅材料的最高使用温度可达2000℃，而碳化硅纤维增强碳化硅材料最高使用温度为1600℃。虽然碳纤维增强碳化硅材料的温度更高，但由于其抗氧化性能较碳化硅纤维增强碳化硅材料差，在高温下只能短时间使用。因此，目前国内外普遍认为，航空发动机热端部件最终获得应用的是碳化硅纤维增强碳化硅材料。

西方发达国家在CMC材料的研究起步较早，积累了大量的研究成果。

经过三十多年的发展，在民用发动机方面，CFM公司的LEAP发动机的一级高压涡轮罩环使用了CMC材料，使得发动机的高压涡轮的效率和耐久性大幅提高；而GE9X发动机则要应用五种不同类型的CMC零件，包括燃烧室内/外衬、1级高压涡轮罩环和喷嘴、2级高压涡轮罩环等。

在军用发动机方面，F135发动机的涡轮导向器由壁厚0.5毫米的大约120个CMC叶片构成；F414发动机的喷管副调节片和密封片采用CMC材料；而F136发动机的第三级低压涡轮导向叶片也是由CMC材料制成，据称这是CMC材料首次在发动机热端部件上应用，只不过该发动机后来没有投入使用，使得CMC材料失去了提前投入用的机会。除美国以外，法国M88-2发动机的喷管内外调节片也是由CMC材料制造。

GE采用F414发动机低压涡轮进行CMC涡轮叶片的试验，其中灰色的是CMC材料叶片。

在各发动机公司中，CMC材料成果最高、应用前景最广的是GE公司，其CMC产品已经可以达到大量生产的地步。而且GE已经基本补全了CMC一体化供应链，通过投资和收购已经具备生产CMC产品的全套生产资料，随着LEAP发动机、GE9X发动机、F135发动机等型号不断增产，GE公司的CMC材料生产能力也在稳步提高。

而此次在北京航展上展示的CMC材料，表明我国在这个领域也在紧跟先进技术发展，而且展出的产品是涡轮导向器叶片，这相比于LEAP发动机上的涡轮叶冠等部件需要承受更高的冲击力，材料的技术水平要求更高。另外，据航发展台工作人员介绍，这些CMC材料是企业与大学联合研发的，这也说明我国大学科研能力向产品应用的转化能力进一步提高。