航空航天，汽車工業，高速列車都有它——陶瓷基復合材料CMCs

日期：2021-03-19 瀏覽次數：次

陶瓷材料(liao)具有高(gao)強度、高(gao)硬(ying)度、低密度、耐(nai)高(gao)溫、耐(nai)磨損(sun)、耐(nai)腐蝕(shi)......等優良品質，但最大軟肋在于“脆性大”，在工業應用中，因陶瓷脆性引發的制件失效往往是致命的，因此如何讓陶瓷材料不那么脆是材料研究領域極為重要的話題。盡管脆是材料自身基因“化學鍵性質和晶體結構”所決定的，但通過合適的手段增加其韌性，我們還是能彌補其缺陷讓它應用于更多領域。

（圖(tu)1：連續碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料(SiC/SiC復合材料)材料綜合性能優異，在航空、航天、核能等領域具有廣泛的應用前景，特別是在航空發動機燃燒室內襯、燃燒室筒、噴口導流葉片、機翼前緣、渦輪葉片和渦輪殼環等熱端部位。）

提高陶瓷材料的韌性有(you)很多方式，例如(ru)提高陶瓷致密(mi)度，減(jian)少材料表面(mian)裂(lie)紋；又例如(ru)細(xi)化(hua)晶粒；或者加(jia)入具有(you)增韌效果的成(cheng)分，制成(cheng)陶(tao)瓷基復合材料(liao)CMCs。今天就讓大(da)家簡(jian)單(dan)了(le)解一(yi)下(xia)CMCs及其主要應用。

陶瓷基復合材料三特：輕(qing)、強、耐(nai)高溫

陶瓷(ci)(ci)基(ji)復(fu)(fu)合材(cai)料(liao)(liao)(liao)是指(zhi)在陶瓷(ci)(ci)基(ji)體中引(yin)入作為(wei)增(zeng)韌材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)第二相(xiang)材(cai)料(liao)(liao)(liao)形成的(de)多相(xiang)復(fu)(fu)合材(cai)料(liao)(liao)(liao)。根據增(zeng)韌方式的(de)不(bu)同(tong)，可將(jiang)陶瓷(ci)(ci)基(ji)復(fu)(fu)合材(cai)料(liao)(liao)(liao)分為(wei)顆粒、晶(jing)須、層狀(zhuang)和連續纖維增(zeng)韌陶瓷(ci)(ci)基(ji)復(fu)(fu)合材(cai)料(liao)(liao)(liao)。和常規(gui)材(cai)料(liao)(liao)(liao)相(xiang)比，陶瓷(ci)(ci)基(ji)復(fu)(fu)合材(cai)料(liao)(liao)(liao)具(ju)有如下優勢：其密度只有金屬的(de)1/4-1/10，但其強度大、耐磨，尤其是其良好的耐高溫、抗高溫蠕變性能使其在高溫領域的應用越來越廣，尤其在航空航天的熱端部件上具有巨大優勢，許多國家已將陶瓷基復合材料作為了新型的戰略材料。

與(yu)其他復(fu)(fu)(fu)合材料不同，陶瓷(ci)基復(fu)(fu)(fu)合材料的成(cheng)型(xing)工藝(yi)相對復(fu)(fu)(fu)雜，制備周(zhou)期(qi)長，成(cheng)本高，對設備要(yao)求(qiu)也(ye)高，成(cheng)品(pin)率也(ye)難(nan)保證，因此(ci)，陶瓷(ci)基復(fu)(fu)(fu)合材料通常應用(yong)(yong)于高精尖領(ling)域，下文將對其應用(yong)(yong)領(ling)域做簡單整理。

應(ying)用1：在航空航天的應用

陶瓷(ci)基(ji)復(fu)(fu)合材(cai)料被譽為是(shi)世界航(hang)空工(gong)業發展的核(he)心材(cai)料技術。陶瓷(ci)基(ji)復(fu)(fu)合材(cai)料（CMC）的密度只是鎳基合金的1/3，強度則是鎳基合金的兩倍且耐高溫能力提升了100~200℃，自1986年獲得第一個陶瓷基復合材料專利以來，GE公司在30余年的時間里持續投入了約10億美元，研究如何利用這種材料在經濟可承受前提下的批量生產，以替代目前廣泛使用的鎳基合金。首個投入使用的CMC零件是LEAP發動機的高壓渦輪一級外環，每臺發動機有18個外環來引導氣流，保障渦輪葉片的效率，該零件由GE公司阿什維爾工廠制造，同時該工廠還制造GE9X發動機的燃燒室內、外襯套和第1級、第2級導向器。GE公司認為能夠在航空發動機中使用CMC的零件如下圖。

（圖(tu)2：航空發動機中的CMC）

其他應用案例：美(mei)國F-119發動機的矢量噴管內壁板、F-414發動機的燃燒室均使用該材料，改進了部件的熱力和應力分析，減少了冷卻用空氣量，在民用發動機方面，羅羅公司trent800的扇形渦輪外環、用于我國C919的LEAP-X發動機渦輪導向器葉片、殼環也采用陶瓷基材料，其效果已經得到驗證。

應用2：在汽車工業的應用

陶瓷基復合材料用于汽車工業主(zhu)要(yao)用于提高發(fa)動機(ji)熱效率、汽車制(zhi)動以及噴(pen)涂方(fang)面(mian)。

①在(zai)汽(qi)車(che)發動(dong)機的(de)(de)(de)工作循環中，燃燒能量的(de)(de)(de)絕大(da)部分在(zai)傳熱(re)(re)過程中損失，柴油機的(de)(de)(de)熱(re)(re)效率在(zai)32%-34%，已經比汽(qi)油機提(ti)高不少，但是仍有60%的(de)(de)(de)熱(re)(re)量被耗散。將陶(tao)瓷基(ji)復合材(cai)料(liao)作為隔熱(re)(re)材(cai)料(liao)或者隔熱(re)(re)涂(tu)層，覆蓋在(zai)發動(dong)機上進(jin)(jin)行隔熱(re)(re)處理(li)可(ke)以(yi)有效減少散熱(re)(re)損失，通過使用陶(tao)瓷基(ji)材(cai)料(liao)對發動(dong)機進(jin)(jin)行隔熱(re)(re)處理(li)可(ke)以(yi)將熱(re)(re)效率提(ti)高10%-15%，而且(qie)其密度小，有效地減輕了(le)整車(che)的(de)(de)(de)重量，使汽(qi)車(che)的(de)(de)(de)性能有較大(da)的(de)(de)(de)提(ti)升(sheng)。

②陶瓷基復合材(cai)料(liao)作為新型剎車(che)(che)(che)(che)材(cai)料(liao)，和傳統材(cai)料(liao)相比，具有摩擦系數穩定、摩擦損耗(hao)量小(xiao)、制動(dong)范(fan)圍(wei)大(da)和壽命(ming)長等特點。其中C/SiC材(cai)料(liao)要比C/C材(cai)料(liao)制成的剎車(che)(che)(che)(che)材(cai)料(liao)性能更(geng)出色，對環境的適應能力(li)更(geng)強(qiang)。陶瓷基復合材(cai)料(liao)作為剎車(che)(che)(che)(che)材(cai)料(liao)較大(da)地提高了使用(yong)溫(wen)度，減小(xiao)了剎車(che)(che)(che)(che)系統體積(ji)，提高了整(zheng)車(che)(che)(che)(che)的安全性，其作為新一(yi)代剎車(che)(che)(che)(che)材(cai)料(liao)具有廣闊前景。

（圖(tu)3：高富帥必備碳陶復合剎車盤）

應用3：應用于高速列車制動系統

隨(sui)著列車速(su)度的提(ti)高(gao)(gao)，盤(pan)形制(zhi)動已成為(wei)公認的高(gao)(gao)速(su)列車制(zhi)動形式。制(zhi)動過(guo)程中，制(zhi)動盤(pan)吸收制(zhi)動動能(neng)并將(jiang)之轉化為(wei)熱能(neng)散發到空氣中，其材(cai)料結構和性能(neng)不被破壞。我國高(gao)(gao)速(su)列車時(shi)速(su)300km/h和350km/h時平直道緊急制動距離分別為3700m和6500m，所用制動盤需具有以下特點：(1)高機械強度，以承受高速旋轉的離心力和制動時閘片壓力；(2)大而穩定的摩擦因數；(3)良好的高溫耐磨性，以減少盤面與閘片間的磨損；(4)較好的抗熱裂性能，使制動盤在聚熱聚冷條件下不產生裂紋；(5)較高熱導率，以提高制動盤的耐熱性能；(6)較低的密度，以降低車輛簧下質量。

（圖4：高鐵開得快，剎車也很重要）

當前，世(shi)界各國對高(gao)速列(lie)車制動(dong)(dong)盤進行了(le)大量的(de)研究工作，其重(zhong)點主要放在制動(dong)(dong)材(cai)(cai)(cai)料的(de)選取上，法、德、日、英等國致力于開發傳(chuan)統(tong)制動(dong)(dong)盤材(cai)(cai)(cai)料之外(wai)的(de)新(xin)型材(cai)(cai)(cai)料，以減輕列(lie)車簧(huang)下(xia)重(zhong)量，降(jiang)低(di)牽引功率耗損(sun)。目(mu)前高(gao)速列(lie)車制動(dong)(dong)裝置材(cai)(cai)(cai)料的(de)發展趨勢(shi)是采用密度更(geng)低(di)、摩擦因(yin)數(shu)更(geng)高(gao)、耐磨性能(neng)更(geng)好的(de)鋁基復合材(cai)(cai)(cai)料、C/C復合材料或陶瓷基復合材料。

（圖5：列車制動材料的相對特性指標）

除了如(ru)上應用(yong)，陶瓷(ci)基復(fu)合材料在其他惡劣(lie)工況下應用(yong)表現也很優秀。陶(tao)瓷基復(fu)(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)由于(yu)抗化學(xue)腐蝕(shi)性好(hao)(hao)，強(qiang)度、耐磨性好(hao)(hao)，是制造密封環(huan)(huan)的(de)理想(xiang)材(cai)料(liao)，對于(yu)一些工作(zuo)環(huan)(huan)境(jing)惡(e)劣的(de)情況，如強(qiang)酸強(qiang)堿環(huan)(huan)境(jing)、高(gao)溫(wen)濕熱環(huan)(huan)境(jing)、高(gao)振(zhen)動復(fu)(fu)合(he)(he)環(huan)(huan)境(jing)，陶(tao)瓷基密封環(huan)(huan)都可(ke)以較好(hao)(hao)地工作(zuo)，使用壽命和工作(zuo)可(ke)靠性可(ke)以得(de)到(dao)保障(zhang)。陶(tao)瓷基復(fu)(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)強(qiang)度、剛(gang)度大(da)，具有較高(gao)的(de)硬度，將其作(zuo)為防彈裝甲(jia)、保險柜防護層等均由較好(hao)(hao)地效(xiao)果。

想(xiang)了解更多先進陶(tao)瓷產業鏈相(xiang)關資訊，請掃碼關注“CAC廣州先進陶瓷展”公眾號