化學氧化鋯陶瓷在航空發(fā)動機上的應(yīng)用
發(fā)布時間:2018-10-13????來源:明睿陶瓷???作者:管理員
今年來，國內(nèi)外陶瓷材料的研究及開發(fā)應(yīng)用競爭激烈，各有千秋。世界各航空發(fā)動機公司為保持在２１世紀航空動力領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，都在尋求新的方法提高軍用和民用發(fā)動機的性能，保持競爭能力。
實現(xiàn)該目標一半將依靠材料改進，包括低溫高分子復(fù)合材料和高溫陶瓷材料。另一半則依靠改進設(shè)計準則、方法和程序。由于軍用發(fā)動機材料的改進關(guān)鍵在于依靠高溫陶瓷材料，故軍用發(fā)動機將是陶瓷技術(shù)的首要驗證者。
為什么必須用化學氧化鋯陶瓷？因為現(xiàn)有發(fā)動機的工作溫度已經(jīng)很高。再度提高溫度只有通過精細的冷卻氣路設(shè)計或加大冷氣量，但這些方法的效果遵循遞減規(guī)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(jié)省的、用于冷卻的高壓空氣用于循環(huán)也可提高推力和效率。另一方案是減輕重量?？蛇x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(fā)動機上的應(yīng)用研究進展將以全新的材料和制造方法用于航空發(fā)動機。必須是在極小的風險情況下獲得這些材料和技術(shù)的使用經(jīng)驗，對陶瓷材料的應(yīng)用也是如此?？紤]到陶瓷材料的脆性及設(shè)計使用經(jīng)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(lǐng)域的陶瓷材料有以下：
陶瓷基復(fù)合材料
陶瓷基復(fù)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(shù)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(fā)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(tǒng)零件，可使發(fā)動機進一步減重。雖然陶瓷作為發(fā)動機熱端化學氧化鋯材料的優(yōu)點十分明顯，但其本質(zhì)上的脆弱性卻極大地限制了它的推廣應(yīng)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(jīng)歷了從“消除缺陷”或減少缺陷尺寸、減少缺陷數(shù)量，發(fā)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(fù)合增韌以及連續(xù)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?shù)牟牧匣瘜W氧化鋯，可大幅度提高陶瓷材料的強度和韌性，經(jīng)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(yīng)用。
超高溫陶瓷材料
在航空航天領(lǐng)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(gòu)成的?？梢韵胂螅绻@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(tài)，那么“哥倫比亞”號失事的悲劇就可應(yīng)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(guān)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(lǐng)域的應(yīng)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(fā)生摩擦，并生產(chǎn)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(nèi)部化學氧化鋯產(chǎn)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(yīng)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(yīng)用，在航空航天領(lǐng)域?qū)⒁l(fā)新的革命。作為航空航天飛行器上的關(guān)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(zhuǎn)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(tǒng)而簡化化學氧化鋯，使發(fā)動機緊湊；節(jié)省高溫合金中鎳、鉻和鈷等戰(zhàn)略金屬。為提高航空發(fā)動機的推重比和減低燃料消耗，提高發(fā)動機的渦輪前溫度是關(guān)鍵，如推重比為10時，一級發(fā)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(fù)合材料的研究成為高推重比航空發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一。
在未來戰(zhàn)爭中，雷達仍是探測軍事目標最可靠的手段之一。隱身技術(shù)的實質(zhì)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(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)合材料。由于這些材料及有關(guān)功能都屬于保密內(nèi)容，故我們利用化學氧化鋯陶瓷優(yōu)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(yīng)用的重要一面。國內(nèi)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(fù)合材料正在此領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如納米SiC、納米氮化物、納米SiC/N、CNTs/Si?N4/SiO?復(fù)合材料。
我國的氧化物陶瓷發(fā)展比較早，上世紀50-60年代已初具有規(guī)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(yè)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(jīng)過三、四十年發(fā)展，在國家科技部各項科技發(fā)展計劃支持下與世界發(fā)展水平相比，從實驗室研究內(nèi)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(lǐng)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(xiàn)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(wěn)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(yōu)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℃?；鸺齽恿ρb置也會產(chǎn)生類似的負擔。燃燒倉必須經(jīng)得住極高穩(wěn)定。像“桑格爾”這樣的超音速飛機，某些部件需要經(jīng)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?shù)米?300℃高溫。所以，金屬不適宜這樣的應(yīng)用，更何況它們早在熔點之下已失去堅固性。
用陶瓷作為驅(qū)動裝置或建造透平葉輪，這在20年前幾乎不可設(shè)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(xiàn)在材料的研制取得了巨大進展。今天，工程師們制造的構(gòu)件既輕又不易破碎，而且在2800℃溫度下還能起作用。有些復(fù)合材料的最重要組成部分是碳纖維，尤其是武器導(dǎo)彈制造廠家在這方面處于領(lǐng)先地位。法國的歐洲發(fā)動機公司是歐洲生產(chǎn)火箭驅(qū)動裝置的最大廠家，它設(shè)在波爾多附近海蘭的工廠制造復(fù)合材料，隨著纖維陶瓷的發(fā)展，他贏得了領(lǐng)先地位。從前，火箭驅(qū)動裝置的組成約80%是金屬，20%是復(fù)合材料。目前這個比數(shù)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(fā)動機公司最初研制的復(fù)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(jīng)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(chǔ)上產(chǎn)生的有機硅化合物，它在加熱時分解以致產(chǎn)生像碳化硅這樣的陶瓷材料。
纖維和基體之間的復(fù)合具有特殊意義。它一方面必須堅硬，以使建筑構(gòu)件機械性能穩(wěn)定，另一方面又必須相當松軟，以致出現(xiàn)壓力時不產(chǎn)生大裂口，而是產(chǎn)生許多消耗掉能力的微縫。
纖維陶瓷的應(yīng)用今天還基本上限于航空和宇航。它們首先用于噴氣發(fā)動機中負擔重的部位，用于火箭液體驅(qū)動裝置的燃燒倉和噴嘴。
陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用
航空航天器
最近10年，C/C復(fù)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(fù)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(yù)定在跨大氣層高音速飛機的機翼和尾翼采用C/C復(fù)合材料，發(fā)動機進口、噴管和噴口采用陶瓷復(fù)合材料。
火箭發(fā)動機
由于火箭發(fā)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(fā)展到四向及更多向編織。同時火箭發(fā)動機設(shè)計者多年來一直企圖將具有高抗熱震的Ct/SiC用于發(fā)動機噴管的擴散段，但Ct的體積分數(shù)高。易氧化而限制了其廣泛應(yīng)用。隨著CVD、CVI技術(shù)的發(fā)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(dǎo)彈
C/C復(fù)合材料作為燒蝕材料早在70年代就被用于洲際導(dǎo)彈彈頭的端頭帽、導(dǎo)彈的噴管和鼻錐。Rockwell國際公司的Rocketdyne公司為戰(zhàn)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(fā)動機。目前正在研制的超音速戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈采用同種燃燒室和噴管組合成固體火箭沖壓式發(fā)動機，對發(fā)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(fù)合材料。超音速和低音速飛行的導(dǎo)彈面臨氣動加熱和侵蝕的環(huán)境也宜使用陶瓷復(fù)合材料。石英、Al?O?和耐高溫玻璃是當前用于作戰(zhàn)導(dǎo)彈天線罩的代表材料。為克服高超音速導(dǎo)彈在幾秒內(nèi)迅速加熱到馬赫數(shù)大約為5時而突然產(chǎn)生瞬時特別大的溫度和熱應(yīng)力，更需發(fā)展高性能CMC。
