陶瓷材料在航空航天軍用市場中的兩條發(fā)展主線

隨著軍用航空發(fā)動機推重比的不斷提高，渦輪進口溫度不斷提高。推重比7-8的第三代渦扇發(fā)動機，渦輪前進口溫度為1250-1400℃左右；推重比10的第四代渦扇發(fā)動機，渦輪前進口溫度為1550-1700℃；第五代渦扇發(fā)動機預(yù)計渦輪前進口溫度將達到1950-2150℃。

目前熱端部件采用的鎳基高溫合金主量元素鎳的熔點為1455℃，隨著單晶、熱障涂層及主動氣冷的潛力逐漸窮盡，新一代軍用航空發(fā)動機對新型耐高溫結(jié)構(gòu)材料的需求愈發(fā)迫切，SiC/SiCCMC成為耐高溫結(jié)構(gòu)材料首選之一。

渦輪部件、燃燒室火焰筒、噴嘴等采用SiC/SiC/CMC，冷卻空氣用量可明顯減小，甚至為零，可改善燃燒條件、提高燃燒效率、降低污染排放和噪聲水平；冷卻結(jié)構(gòu)可大大簡化甚至省去，從而降低結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性，提高工作溫度，并進一步減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

歐美等航空發(fā)達國家在航空發(fā)動機用SiC/SiCCMC構(gòu)件的研制與應(yīng)用方面，遵循先靜止件后轉(zhuǎn)動件，先中溫（700-1000℃）件后高溫（1000-1300℃）件，先簡單件后復(fù)雜件的發(fā)展思路，優(yōu)先發(fā)展中溫中等載荷（應(yīng)力低于120MPa）靜止件（密封片、調(diào)節(jié)片、內(nèi)錐體等）；以此為基礎(chǔ)發(fā)展高溫中等載荷（應(yīng)力低于120MPa）靜止件（火焰筒、火焰穩(wěn)定器、渦輪外環(huán)、導(dǎo)向葉片等）；然后發(fā)展高溫高載荷（應(yīng)力高于120MPa）轉(zhuǎn)動件（渦輪轉(zhuǎn)子、渦輪葉片等）。

目前，SiC/SiCCMC噴管調(diào)節(jié)片、密封片已在國外M53-2、M88、M88-2、F100、F119、EJ200、F414、F110及F136等多種型號軍/民用航空發(fā)動機上成功試驗并應(yīng)用多年。由于SiC纖維含硅，能有效地減弱發(fā)動機的紅外信號。因此，與C/SiCCMC相比，SiC/SiCCMC不但具有更高的力學(xué)性能、更好的抗氧化性能和更長的高溫使用壽命，還具有更好的吸波性能。鑒于SiC/SiC/CMC良好的隱身性能，PW公司已將驗證的SiC/SiCCMC調(diào)節(jié)片和密封片用于改進F119發(fā)動機，以實現(xiàn)減重、隱身并提高其耐久性等。

國內(nèi)SiC/SiCCMC制備的主要研究單位包括西北工業(yè)大學(xué)、航天材料及工藝研究所、西安航天復(fù)合材料研究所、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、航空工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心、國防科技大學(xué)等，相關(guān)工程化生產(chǎn)也以科研院所技術(shù)轉(zhuǎn)移為主，目前SiC/SiCCMC低成本、高可靠工程化生產(chǎn)是目前產(chǎn)業(yè)鏈主要的發(fā)展瓶頸之一。SiC/SiCCMC通常由碳化硅纖維、碳化硅陶瓷基體、基體與纖維之間的界面相和環(huán)境障涂層組成。碳化硅纖維在SiC/SiCCMC中起到主要的增強增韌作用。耐溫能力1200℃以上的碳化硅纖維作為SiC/SiCCMC最關(guān)鍵的原材料，成為各航空強國的研究競爭重點。

▲碳化硅長纖維（左）與碳化硅短纖維（右）

制備SiC纖維主要有4種方法：先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法、化學(xué)氣相沉積法、超微細粉高溫?zé)Y(jié)法及活性碳纖維轉(zhuǎn)化法，目前只有前兩者實現(xiàn)商品化，其中先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法為制備連續(xù)束絲SiC纖維的最主要方法，按照纖維成分組成（受具體制備工藝影響）分為第一代至第三代SiC纖維，使用溫度分別為1100、1200-1250、1400-1450℃，第三代纖維的耐熱溫度甚至超過1700℃。

隨著雷達等先進探測手段的升級及超視距作戰(zhàn)模式的發(fā)展，戰(zhàn)斗機、運輸機（包括改裝的特種機，如加油、偵查、反潛、電子對抗等）、轟炸機、直升機、無人機、巡航導(dǎo)彈等各式航空裝備均進入“隱身”時代。為了保證相應(yīng)的氣動性能及制造裝配效率，外形隱身設(shè)計的潛力逐漸窮盡，且外形特征的可移植性較強，因此目前主要發(fā)展的為隱身材料，主要為雷達及紅外隱身，其中后者為航空發(fā)動機及高超聲速飛行器氣動加熱位置最重要的信號抑制領(lǐng)域。

● 雷達隱身材料

吸波材料是最重要的隱身材料之一，一般由基體材料（或粘結(jié)劑）與吸收介質(zhì)（吸收劑）復(fù)合而成。在陶瓷吸波材料中，碳化硅是制作多波段吸波材料的主要成分。大連義邦引入的E-SPHERES空心陶瓷微珠是一種中空材料，其密度很低，可實現(xiàn)輕質(zhì)、薄層、寬屏帶和多頻段等吸收功能，所以在微波吸收或電磁屏蔽涂料等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

▲陶瓷空心微珠的SEM圖

中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一個研究團隊近期發(fā)現(xiàn)一種輕質(zhì)、耐高溫吸波新材料，其密度僅為每立方厘米15毫克，是已知陶瓷材料中最輕的。據(jù)介紹，這種材料是通過先驅(qū)體分子設(shè)計合成的六方BCN三元化合物陶瓷，獨特的微納結(jié)構(gòu)和成分可設(shè)計性使其在不同電磁波段具有優(yōu)異的吸波性能。其吸波頻段具有可調(diào)節(jié)特性。除此之外，這種具有微納孔結(jié)構(gòu)的三元化合物材料具有超疏水特性，不需借助任何外形設(shè)計即可漂浮在水面上。

據(jù)該成果的第一作者、哈爾濱工業(yè)大學(xué)張教授介紹，這種新吸波材料可以大大為飛行器、船艦減負(fù)。以美軍U-2飛機為例，其吸波劑為羰基鐵粉，占到涂層重量的50%以上。如果將此次發(fā)現(xiàn)的新材料用于隱身和屏蔽，其占涂層重量的比例將降至10%以下。

● 紅外隱身材料

實現(xiàn)紅外隱身最有效的途徑是控制目標(biāo)的表面溫度，盡量減小目標(biāo)與背景的偏差。陶瓷紅外隱身材料是一種由無機陶瓷納米材料與無機高分子材料復(fù)合而成的涂料，通過精細控制無機陶瓷納米粒子均勻分散在無機聚合物基體中，實現(xiàn)高效的寬頻帶電磁波吸波。具有易于實現(xiàn)高吸收、涂層薄、耐高溫、重量輕、吸收頻帶寬并與紅外微波吸收兼容等特點。

▲殲20隱身戰(zhàn)機

紅外隱身是目前航空裝備重要的、正進行的發(fā)展趨勢，我國由原殲20一款主力隱身戰(zhàn)機，已發(fā)展為多款隱身戰(zhàn)機、隱身無人機等高端裝備系列，對標(biāo)先進國家，還有隱身轟炸機、隱身直升機等裝備發(fā)展增量。同時，航發(fā)紅外隱身處理具有極高的技術(shù)壁壘，具有獨占優(yōu)勢的標(biāo)的將充分享受裝備升級換代的高景氣。