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2019年国内外陶瓷基复合材料(CMC)发展进展及在航空发动机领域的应用分析

发布时间:2019-10-08  来源:立鼎产业研究网  点击量: 58 

陶瓷基复合材料(CMC)是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料,具有密度低、耐高温、高温抗氧化性能优异的显著优势。对于航空发动机来说,提高涡轮前燃气温度是提高发动机推力的主要技术途径,但是目前的涡轮前燃气温度已经逐步接近高温合金自身的熔点,温度上升空间很小,因此需要有替代材料。陶瓷基复合材料具有耐高温特性,可用于热端构件。研究表明陶瓷基复合材料可将涡轮前燃气温度在现有的基础上提高 300K 以上。同时陶瓷基复合材料密度小,有利于发动机减重。

立鼎产业研究中心发布的《2019年版中国陶瓷基复合材料(CMC业发展现状及趋势预测研究报告》研究显示:CMC 被视为取代航空发动机高温合金、实现减重增效“升级换代材料”之首选。

①对于军用发动机:提高推重比、降低服役成本是研制焦点。现有推重比 10 一级的发动机涡轮进口温度达到1500℃,如 F119 涡轮进口温度达到 1700℃左右;正在研制的推重比12~15 的发动机涡轮进口平均温度超过 1800℃。然而,目前耐热性能最好的镍基高温合金材料工作温度在 1100℃左右,且必须采用隔热涂层以及设计最先进的冷却结构。因此,现有的高温合金材料体系(镍基等)已接近其使用温度的极限,难以满足先进航发的热结构用材需求;CMC 工作温度高达 1650℃,将成为替代航发高温合金最具应用潜力的材料。

②对于民航发动机:降低油耗、提高发动机使用寿命是研制焦点。以 Boeing-787 为例,使用超过 50%的先进复合材料,油耗下降了 20%左右。根据英国宇航专家Andrew Walker 教授预测,截至 2020 年飞机飞行燃油成本还会进一步下降 29%~31%,其中 17%~19%源于发动机,特别是受益于陶瓷基复合材料的广泛应用。

国外 CMC 在航空发动机的应用层面已逐渐打开,呈现出从低温向高温、从冷端向热端部件、从静子向转子的发展趋势。短期应用目标为:尾喷管、火焰稳定器、涡轮罩环等;中期应用目标为:低压涡轮叶片、燃烧室、内锥体等;远期应用目标为:高压涡轮叶片、高压压气机和导向叶片等。CMC 在国外已成功应用于多款发动机型号并实现工程化生产,将成为航空发动机制造的主流趋势,市场空间巨大。国内 CMC 增强纤维材料研制单位有:厦门大学、国防科技大学;并且均通过产--研形成以下纤维供应商:火炬电子、苏州赛菲及宁波众兴新材。国防科大是国内最早研制 SiC 纤维的单位,已形成 SiC 纤维体系化的发展格局,综合性能达到或接近国外同类产品水平;厦门大学特种陶瓷先进材料实验室从 2002 年底开始研发SiC 纤维,目前已经制得连续 SiC 纤维。

国内 SiC 纤维供应商及其产业化项目


资料来源:公开资料整理

国内 CMC 材料制备商:西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司、西安超码科技有限公司、中航复合材料有限责任公司等多家公司公司均有 CMC 相关业务。根据张立同院士 2006 年在第十四届全国复合材料学术会议上的论文中的表述“我国已经打破国际封锁,自主攻克了碳化硅陶瓷基复合材料构件批量制造技术,但是由于缺少高性能SiC纤维,目前只能用碳纤维代替”判断,碳化硅纤维的量产将直接推动相关 CMC 材料的量产,进而推动我国碳化硅陶瓷基复合材料的大量应用。

国内 CMC 制造商及其产品研制情况


资料来源:公开资料整理

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