航空航天，汽车工业，高速列车都有它——陶瓷基复合材料CMCs

日期：2021-03-19 浏览次数：次

陶瓷材料(liao)具有高(gao)强度、高(gao)硬(ying)度、低密(mi)度、耐(nai)高(gao)温、耐(nai)磨损、耐(nai)腐蚀......等优良品质，但最大软肋在于“脆性大”，在工业应用中，因陶瓷脆性引发的制件失效往往是致命的，因此如何让陶瓷材料不那么脆是材料研究领域极为重要的话题。尽管脆是材料自身基因“化学键性质和晶体结构”所决定的，但通过合适的手段增加其韧性，我们还是能弥补其缺陷让它应用于更多领域。

（图1：连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC复合材料)材料综合性能优异，在航空、航天、核能等领域具有广泛的应用前景，特别是在航空发动机燃烧室内衬、燃烧室筒、喷口导流叶片、机翼前缘、涡轮叶片和涡轮壳环等热端部位。）

提(ti)高陶瓷(ci)材(cai)料(liao)的韧性有很(hen)多(duo)方(fang)式(shi)，例(li)如提(ti)高陶瓷(ci)致密(mi)度，减少材(cai)料(liao)表面(mian)裂纹；又例(li)如细化晶粒；或(huo)者(zhe)加入具有增韧效果的成(cheng)分，制成(cheng)陶瓷(ci)基复(fu)合材(cai)料(liao)CMCs。今天就让大家简单了解一下CMCs及其主要应用。

陶(tao)瓷基复(fu)合材料三特：轻、强(qiang)、耐高温(wen)

陶(tao)瓷(ci)(ci)基复(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)是指(zhi)在陶(tao)瓷(ci)(ci)基体中引入作为增韧材(cai)料(liao)(liao)的第二相(xiang)材(cai)料(liao)(liao)形成的多(duo)相(xiang)复(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)。根据增韧方式的不(bu)同，可将(jiang)陶(tao)瓷(ci)(ci)基复(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)分为颗粒、晶(jing)须、层状和(he)连续纤维增韧陶(tao)瓷(ci)(ci)基复(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)。和(he)常规材(cai)料(liao)(liao)相(xiang)比(bi)，陶(tao)瓷(ci)(ci)基复(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)具有(you)如(ru)下优势：其密度只有(you)金属的1/4-1/10，但其强度大、耐磨，尤其是其良好的耐高温、抗高温蠕变性能使其在高温领域的应用越来越广，尤其在航空航天的热端部件上具有巨大优势，许多国家已将陶瓷基复合材料作为了新型的战略材料。

与其他复合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)不同，陶(tao)(tao)瓷(ci)基复合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)成型工艺相(xiang)对复杂(za)，制备(bei)周(zhou)期长，成本高，对设备(bei)要求也高，成品率(lv)也难保证，因(yin)此，陶(tao)(tao)瓷(ci)基复合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)通常应用于(yu)高精尖领(ling)域，下文将对其应用领(ling)域做(zuo)简单(dan)整理。

应用1：在航空航天的应用

陶瓷(ci)基复合(he)材(cai)料被誉为是世界航空工(gong)业发展的核心材(cai)料技术。陶瓷(ci)基复合(he)材(cai)料（CMC）的密度只是镍基合金的1/3，强度则是镍基合金的两倍且耐高温能力提升了100~200℃，自1986年获得第一个陶瓷基复合材料专利以来，GE公司在30余年的时间里持续投入了约10亿美元，研究如何利用这种材料在经济可承受前提下的批量生产，以替代目前广泛使用的镍基合金。首个投入使用的CMC零件是LEAP发动机的高压涡轮一级外环，每台发动机有18个外环来引导气流，保障涡轮叶片的效率，该零件由GE公司阿什维尔工厂制造，同时该工厂还制造GE9X发动机的燃烧室内、外衬套和第1级、第2级导向器。GE公司认为能够在航空发动机中使用CMC的零件如下图。

（图2：航空发动机中的CMC）

其(qi)他应用案例：美国(guo)F-119发动机的矢量喷管内壁板、F-414发动机的燃烧室均使用该材料，改进了部件的热力和应力分析，减少了冷却用空气量，在民用发动机方面，罗罗公司trent800的扇形涡轮外环、用于我国C919的LEAP-X发动机涡轮导向器叶片、壳环也采用陶瓷基材料，其效果已经得到验证。

应用2：在汽车工业的应用

陶(tao)瓷基复合材料用(yong)于汽车工业主(zhu)要(yao)用(yong)于提高发动机热效率、汽车制动以及(ji)喷(pen)涂方面。

①在汽车发动(dong)机的(de)工作循环中(zhong)，燃烧能(neng)量(liang)的(de)绝(jue)大部(bu)分在传热(re)(re)过(guo)程中(zhong)损失，柴油机的(de)热(re)(re)效率在32%-34%，已经比(bi)汽油机提高不少，但(dan)是仍有60%的(de)热(re)(re)量(liang)被耗(hao)散。将陶瓷基复合材料(liao)作为隔热(re)(re)材料(liao)或者隔热(re)(re)涂层，覆盖在发动(dong)机上进(jin)行(xing)隔热(re)(re)处(chu)理(li)可(ke)以有效减少散热(re)(re)损失，通过(guo)使用(yong)陶瓷基材料(liao)对发动(dong)机进(jin)行(xing)隔热(re)(re)处(chu)理(li)可(ke)以将热(re)(re)效率提高10%-15%，而且其密度小，有效地减轻了整(zheng)车的(de)重量(liang)，使汽车的(de)性能(neng)有较大的(de)提升。

②陶瓷(ci)基复合材(cai)(cai)料(liao)作(zuo)为(wei)新(xin)型(xing)刹(cha)(cha)车材(cai)(cai)料(liao)，和传(chuan)统材(cai)(cai)料(liao)相比，具有摩(mo)擦(ca)系(xi)(xi)数稳定、摩(mo)擦(ca)损耗量(liang)小、制动范围大和寿命长(zhang)等特点。其中(zhong)C/SiC材(cai)(cai)料(liao)要(yao)比C/C材(cai)(cai)料(liao)制成的(de)刹(cha)(cha)车材(cai)(cai)料(liao)性能更出色，对环境(jing)的(de)适应能力更强。陶瓷(ci)基复合材(cai)(cai)料(liao)作(zuo)为(wei)刹(cha)(cha)车材(cai)(cai)料(liao)较大地提(ti)高(gao)了使用温度(du)，减小了刹(cha)(cha)车系(xi)(xi)统体积，提(ti)高(gao)了整车的(de)安全性，其作(zuo)为(wei)新(xin)一(yi)代(dai)刹(cha)(cha)车材(cai)(cai)料(liao)具有广阔前景。

（图3：高富帅必备碳陶复合刹车盘）

应用3：应用于高速列车制动系统

随着列车速(su)度的提高，盘形制(zhi)(zhi)动(dong)已成为(wei)公认的高速(su)列车制(zhi)(zhi)动(dong)形式。制(zhi)(zhi)动(dong)过程中(zhong)，制(zhi)(zhi)动(dong)盘吸收(shou)制(zhi)(zhi)动(dong)动(dong)能(neng)并将之转化(hua)为(wei)热能(neng)散发到空(kong)气中(zhong)，其材料结构和性(xing)能(neng)不被破坏。我国高速(su)列车时速(su)300km/h和350km/h时平直道紧急制动距离分别为3700m和6500m，所用制动盘需具有以下特点：(1)高机械强度，以承受高速旋转的离心力和制动时闸片压力；(2)大而稳定的摩擦因数；(3)良好的高温耐磨性，以减少盘面与闸片间的磨损；(4)较好的抗热裂性能，使制动盘在聚热聚冷条件下不产生裂纹；(5)较高热导率，以提高制动盘的耐热性能；(6)较低的密度，以降低车辆簧下质量。

（图(tu)4：高铁开得快，刹车也很重要）

当前，世界各国(guo)(guo)对(dui)高(gao)速列车(che)制动盘(pan)进行了大量的(de)研究工(gong)作，其重点(dian)主要放在制动材(cai)(cai)料(liao)的(de)选取上，法、德、日、英等国(guo)(guo)致(zhi)力于开发(fa)传统制动盘(pan)材(cai)(cai)料(liao)之外的(de)新型材(cai)(cai)料(liao)，以减轻(qing)列车(che)簧下(xia)重量，降低牵引(yin)功率耗损。目前高(gao)速列车(che)制动装置材(cai)(cai)料(liao)的(de)发(fa)展趋势是采用密(mi)度更低、摩擦因数更高(gao)、耐磨性能(neng)更好的(de)铝基复合材(cai)(cai)料(liao)、C/C复合材料或陶瓷基复合材料。

（图5：列车制动材料的相对特性指标）

除了(le)如上应用，陶瓷(ci)基(ji)复合材料在其他恶劣(lie)工(gong)况下应用表(biao)现也很(hen)优秀。陶瓷(ci)基(ji)复合(he)材料由(you)于抗化学腐蚀性好(hao)，强度(du)、耐磨性好(hao)，是制造(zao)密封(feng)环(huan)的(de)理想材料，对于一(yi)些工作(zuo)环(huan)境(jing)恶(e)劣(lie)的(de)情况(kuang)，如强酸强碱环(huan)境(jing)、高(gao)温湿热环(huan)境(jing)、高(gao)振动复合(he)环(huan)境(jing)，陶瓷(ci)基(ji)密封(feng)环(huan)都可(ke)以较(jiao)好(hao)地工作(zuo)，使(shi)用寿(shou)命(ming)和工作(zuo)可(ke)靠(kao)性可(ke)以得到保障。陶瓷(ci)基(ji)复合(he)材料强度(du)、刚度(du)大，具有较(jiao)高(gao)的(de)硬度(du)，将其作(zuo)为防弹装甲、保险柜防护层等均由(you)较(jiao)好(hao)地效果。

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