连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨.pdf
《连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨.pdf(8页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨1 5连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨张立同成来飞西北工业大学,陕西西安7 1 0 0 7 2摘要:连续纤维增韧陶瓷基复合材料(C M C)是航空航天等高科技领域发展不可缺少的材料,其中又以连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(C M C S i C)的研究最多、应用最为成功和广泛。本文以C M C S i C 为例,介绍了此类先进复合材料的应用领域及战略需求,详细分析了国内外的应用研究现状及发展趋势,并就我国在此研究领域内所面临的机遇与挑战进行了阐述,对我国持续发展更长寿命、更高温度和结构功能一体化新型陶瓷基复合材料提出了战略指导意见。关键
2、词:陶瓷基复合材料可持续发展D i s c u s s i o no nS t r a t e g i e so fS u s t a i n i n gD e v e l o p m e n to fC o n t i n u o u sF i b e rR e i n f o r c e dC e r a m i cM a t r i xC o m p o s i t e sL i t o n gZ h a n gL a i f e iC h e n gN o r t h w e s t e mP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y,X i
3、 a nS h a a n x i,71 0 0 7 2A b s t r a c t:C o n t i n u o u sf i b e r r e i n f o r c e dc e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t e s(C M C)a r ep r o v e dt ob em o s ta t t r a c t i v em a t e r i a l si nt h ed e v e l o p m e n to fh i g h t e c hf i e l d s。s u c ha sa e r o n a u t i c s,a
4、s t r o n a u t i c sa n d8 0o n A m o n gt h e s ec o m p o s i t em a t e r i a l s c o n t i n u o u sf i b e r r e i n f o r c e ds i l i c o nc a r b i d ec e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t e s(C M C S i C)h a v eb e e nd e e p l yr e s e a r c h e da n dw i d e l yd e v e l o p e d A sa n
5、e x a m p l e,a p p l i c a t i o nf i e l d sa n ds t r a t e g i cn e e do fC M C S i Cw e r ei n t r o d u c e di nt h ep r e s e n tp a p e r R e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tb e n do fC M C S i Cw e r ea l s oa n a l y z e di nd e t a i l A tl a s t,o p p o r t u n i t i e sa
6、 n dc h a l l e n g e sf a c e db yd o m e s t i cr e s e a r c h e r si nt h i sr e s e a r c hf i e l dw e r ee x p a t i a t e da n ds t r a t e g i cg u i d a n c eo nt h es u s t a i n i n gd e v e l o p m e n to fa d v a n c e dc e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t e sw i t hl o n g e rl i f
7、 e,h i g h e rt e m p e r a t u r er e s i s t a n c ea n ds t r u c t u r a l f u n c t i o n a li n t e g r a t i o nw a sp u tf o r w a r d K e yw o r d s:c e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t e s;s u s t a i n i n gd e v e l o p m e n t1 应用领域与战略需求1 1 连续纤维增韧陶瓷基复合材料根据增韧方式的不同,陶瓷基复合材料分为颗粒、晶须、层状和连续
8、纤维增韧陶瓷基复合材料。四种陶瓷基复合材料的强度和断裂韧性依次增加。其中前两种复合材料具有各向同性,后两种复合材料具有各向异性。连续纤维增韧陶瓷基复合材料(C M C)可以从根本上克服陶瓷脆性,是陶瓷基复合材料发展的主流方向。根据复合材料组成不同,连续纤维增韧陶瓷基复合材料分为玻璃、氧化物和非氧化物基复合材料,工作温度依次提高。玻璃基复合材料、氧化物基复合材料和非氧化物基复合材料分别具有低成本、抗氧化和高性能作者简介:张立同(1 9 3 8 年生),女,西北工业大学材料学院教授,博士生导师,中国工程院院士,国家自然科学基金委员会学科评价组成员。1 9 8 9 1 9 9 1 年在美国N A S
9、 AL o u i s 研究中心从事客座教授研究工作。在高温合金和铝合金无余量熔模铸造工艺理论和制造技术、特种高温陶瓷、航空航天结构陶瓷及其复合材料等方面进行了开创性研究。先后获国家科技发明一等奖1 项,国家科技进步一、二、三等奖4 项,省部级二等奖9 项。1 6复合材料技术与应用可持续发展的优点。连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(C M C S i C)是目前研究最多、应用最成功和最广泛的陶瓷基复合材料,是航空航天等高科技领域发展不可缺少的材料。1 2C M C S i C 的特点C M C S i C 具有材料结构一体化和多尺度的结构特征,通过各结构单元的优化设计,产生协同效应,以达到高性
10、能和各性能的合理匹配。纤维单丝表面的均匀纳米尺度界面层是实现复合材料强韧化的关键,构成连续纤维增韧陶瓷基复合材料特有的力学性能特征,使C M C S i C 具有类似金属的断裂行为(图1),对裂纹不敏感,不发生灾难性损毁。C M C S i C 的高温力学性能优异,氧化物的抗环境腐蚀性能更好。因此,S i C 是耐高温C M C 基体的基本组元,氧化物是长寿命C M CS i C 的抗环境涂层(E B C)的基本组元。图13 DC S i C 复合材料的载荷一位移曲线1 3C M C S i C 的应用领域连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料主要包括碳纤维和碳化硅纤维增韧碳化硅(C S i C、S
11、 i C S i C)两种。其密度分别为难熔金属和高温合金的1 1 0 和1 4,比C C 具有更好的抗氧化性、抗烧蚀性和力学性能,覆盖的使用温度和寿命范围宽,因而应用领域广。C M C S i C 在7 0 0 1 6 5 0 范围内可以工作数百至上千小时,适用于航空发动机、核能和燃气轮机和高速刹车;在1 6 5 0 2 2 0 0 范围内可以工作数小时至数十小时,适用于液体火箭发动机、冲压发动机和空天飞行器热防护系统等;在2 2 0 0 2 8 0 0 范围内可以工作数十秒,适用于固体火箭发动机。C M C S i C 在高推重比航空发动机内主要用于喷管和燃烧室,可将工作温度提高3 0 0
12、5 0 0,推力提高3 0 一1 0 0,结构减重5 0 一7 0,是发展高推重比(1 2 一1 5,1 5 2 0)航空发动机的关键热结构材料之一。C M C S i C 在高比冲液体火箭发动机内主要用于推力室和喷管,可显著减重,提高推力室压力和寿命,同时减少冷却剂量,实现轨道动能拦截系统的小型化和轻量化。C M C S i C在推力可控固体火箭发动机内主要用于气流通道的喉栓和喉阀,可解决新一代推力可控固体轨控发动机喉道零烧蚀的难题,提高动能拦截系统的变轨能力和机动性。C M C S i C 在亚燃冲压发动机内主要用于亚燃冲压发动机的燃烧室和喷管喉衬,可解决这些构件抗氧化烧蚀的难题,提高发动
13、机的工作寿命,保证飞行器的长航程。C M C S i C 在高超声速飞行器上主要用于大面积热防护系统,比金属T P S 减重5 0、可减少发射准备程序、减少维护、提高使用寿命和降低成本。C M CS i C 在工业燃气涡轮机发电机上主要用于燃烧室内衬和第一级覆环,可提高工作温度以减少甚至取消冷却空气量,从而提高燃烧效率、减少尾气排放、提高输出功率。C M C S i C 在核聚变反应堆内主要用于与核聚变反应直接接触的第一壁构件,可解决材料在高温辐照环境的损伤问题,是目前各种核聚变反应堆方案的首选第一壁材料。与C C 刹车材料相比,C M C S i C 作为高速刹车系统用材料具有周期短、成本低
14、、强度高、动静摩擦系数分配合理等显著优点。主要用于新一代战斗机刹车系统,也可用于高速列车、赛车和跑车。作为空间超轻结构反射镜用材料,C M CS i C 主要用于反射镜框架和镜面衬底,具有重量小、强度高、膨胀系数小和抗环境辐射等优点,可解决大型太空反射镜结构轻量化和连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨1 7尺寸稳定性的难题。2C M C S i C 的应用研究现状与发展趋势2 1C M C S i C 在国外的应用现状国际在二十世纪九十年代,C M C S i C 开始步入应用研究阶段。作为高推重比航空发动机用高温热结构材料,以推重比1 0 航空发动机为演示验证平台对喷管、燃烧室和涡轮
15、三大部分进行了大量考核,历时十余年目前仍在进行。其中法国S n e e m a 公司生产的C M C S i C 调节片、密封片已装机使用近l O年。在7 0 0 工作1 0 0 小时,减重5 0,疲劳寿命优于高温合金,目前正向其他发动机上拓展。中期(2 0 1 5 2 0 2 0 年),发展燃烧室和内衬、低压涡轮和导向叶片;远期(2 0 2 0 年以后),发展高压涡轮和导向叶片、高压压气机涡轮和导向叶片。作为高比冲液体火箭发动机用材料,多种卫星姿控轨控发动机喷管和大型运载火箭发动机喷管扩张段通过了试车考核。推力可控固体火箭发动机气流阀进行了台架试车考核,各种战术导弹和运载火箭发动机上面级发动
16、机喉衬已获得应用。亚燃冲压发动机燃烧室与喷管喉衬已经进入应用阶段,超燃冲压发动机支板和镶嵌面板正在进行台架试车。C M C S i C 材料用作超高声速飞行器高温大面积防热系统,已经在X 系列空天飞行器上试飞成功,成为继C C 之后的新一代防热材料,可以避免类似哥伦比亚号使用C C复合材料造成的灾难性事故,从而奠定了C S i C 在高温防热领域的主导地位。在工业燃气涡轮发电机中,以C M C S i C燃烧室内衬和覆环为代表的静止件已经完成全寿命试车考核,短时间内可以进入实际应用阶段。C M C S i C 材料作为核聚变反应堆第一壁,进行了系统的高温辐照实验,发现在1 1 0 0 以下高温
17、辐照对S i C S i C 的力学性能没有明显影响,下一步计划将测试温度提高到1 4 0 0。C M C S i C 材料用作大型超轻结构太空反射镜仍处于研发阶段,主要解决超轻结构设计和反射性能。C M C S i C 材料作为飞机高速刹车系统,正在试车考核与飞行验证。在奥迪A 8 和保时捷等高档轿车上已经获得应用。2 2C M C S i C 在国内的应用现状我国近年来已经全面突破C M C S i C 的制备技术,应用研究也取得重大进展。我国高推重比航空发动机的研究起步晚,C M C S i C 的应用考核缺乏经费支持,只能进行短期试验考核。燃烧室浮壁瓦片进行了试验台短时考核,壁面温度1
18、 2 2 7 1 0 4 7 0 C,压力2 M P a,3 0 分钟。全尺寸调节片进行了发动机挂片试车考核,压力0 2 8 M P a,马赫数1 5 5,壁面温度1 0 4 7 t 2。我国卫星和轨控发动机发动机喷管通过试车考核,同等条件下喷管的寿命是C C 的十倍以上。多种固体火箭发动机上试验了C S i C 构件,在同等条件下C S i C 构件的线烧蚀率比C C 低一倍左右。我国亚燃冲压发动机的喷管喉衬和燃气发生器已通过试车考核进人应用阶段,整体燃烧室处于研制阶段。跨大气层空天飞行器高温防热系统的C S i C 头锥帽和机翼前缘已经装机试飞成功,标志着我国在高温大面积防热领域取得了重大
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 连续 纤维 陶瓷 复合材料 可持续发展战略 探讨
限制150内