陶瓷基复合材料是下一代航空发动机产业战略性热结构材料

发布时间：2022-11-03　　来源：立鼎产业研究网　点击量： 1105　

陶瓷基复合材料性能优越，是实现航发减重增效的先进材料。陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料，具有类金属断裂韧性，对裂纹不敏感、没有灾难性损毁，它在保持传统陶瓷材料（氮化硅、碳化硅等）耐高温、高强度和刚度、密度低、抗腐蚀等优良性能的同时，克服了其脆性大的致命弱点，提高了其韧性和可靠性。陶瓷基复合材料较镍基高温合金具有耐高温、密度低、优异的高温抗氧化性能等突出优势，被视为下一代航空发动机战略性热结构材料，更是未来发动机的核心技术之一。

在拉伸载荷137MPa，持久寿命1000h条件下，材料所能承受的温度极限

资料来源：CNKI

CMC（SiC）材料已成功应用于多款国外发动机型号，对比高温合金具备较高替代价值。该材料多应用于航发燃烧室、密封片、调节片等位置，并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，该材料应用于航发某些关键热端部件对于高温合金有较高替代价值。据RR公司预测，先进航发中CMC材料质量占比达30%以上。以一台WS10B发动机质量（约为1.7吨）测算，CMC材料用量可达0.5吨左右，增强纤维用量0.15吨。

CMC材料在航发上的应用实例

资料来源：CNKI

相比于镍基高温合金，CMC材料有以下显著优势：（1）比高温合金能承受更高的温度（CMC材料耐温极限比镍基高温合金提高约150K，可达1500K），可显著减少冷却气消耗量15%～25%，从而提高发动机效率；（2）CMC材料密度（2.0～2.5g/cm3）为高温合金的1/4～1/3，可以显著降低发动机重量（发动机减重30%～70%）从而大幅提高推重比；（3）高温下优异的持久强度；（4）可设计性强，纤维纺织技术的引入使CMC可设计性和结构适应性大幅提高，伴随着计算机CAE技术发展，CMC材料力学分析模型也向微-细-宏观多尺度发展，材料设计和结构设计耦合性提高，可根据不同部件的性能需求设计可达到最佳的热/力特性匹配。