航空航天，汽車工業(yè)，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

陶瓷材料具有高強度、高硬度、低密度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕......等優(yōu)良品質，但最大軟肋在于“脆性大”，在工業(yè)應用中，因陶瓷脆性引發(fā)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1：連續(xù)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(yōu)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(fā)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(huán)等熱端部位。）

提高陶瓷材料的韌性有很多方式，例如提高陶瓷致密度，減少材料表面裂紋；又例如細化晶粒；或者加入具有增韌效果的成分，制成陶瓷基復合材料CMCs。今天就讓大家簡單了解一下CMCs及其主要應用。

陶瓷基復合材料三特：輕、強、耐高溫

陶瓷基復合材料是指在陶瓷基體中引入作為增韌材料的第二相材料形成的多相復合材料。根據增韌方式的不同，可將陶瓷基復合材料分為顆粒、晶須、層狀和連續(xù)纖維增韌陶瓷基復合材料。和常規(guī)材料相比，陶瓷基復合材料具有如下優(yōu)勢：其密度只有金屬的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(yōu)勢，許多國家已將陶瓷基復合材料作為了新型的戰(zhàn)略材料。

與其他復合材料不同，陶瓷基復合材料的成型工藝相對復雜，制備周期長，成本高，對設備要求也高，成品率也難保證，因此，陶瓷基復合材料通常應用于高精尖領域，下文將對其應用領域做簡單整理。

應用1：在航空航天的應用

陶瓷基復合材料被譽為是世界航空工業(yè)發(fā)展的核心材料技術。陶瓷基復合材料（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(xù)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(fā)動機的高壓渦輪一級外環(huán)，每臺發(fā)動機有18個外環(huán)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(fā)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(fā)動機中使用CMC的零件如下圖。

（圖2：航空發(fā)動機中的CMC）

其他應用案例：美國F-119發(fā)動機的矢量噴管內壁板、F-414發(fā)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(fā)動機方面，羅羅公司trent800的扇形渦輪外環(huán)、用于我國C919的LEAP-X發(fā)動機渦輪導向器葉片、殼環(huán)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(yè)的應用

陶瓷基復合材料用于汽車工業(yè)主要用于提高發(fā)動機熱效率、汽車制動以及噴涂方面。

①在汽車發(fā)動機的工作循環(huán)中，燃燒能量的絕大部分在傳熱過程中損失，柴油機的熱效率在32%-34%，已經比汽油機提高不少，但是仍有60%的熱量被耗散。將陶瓷基復合材料作為隔熱材料或者隔熱涂層，覆蓋在發(fā)動機上進行隔熱處理可以有效減少散熱損失，通過使用陶瓷基材料對發(fā)動機進行隔熱處理可以將熱效率提高10%-15%，而且其密度小，有效地減輕了整車的重量，使汽車的性能有較大的提升。

②陶瓷基復合材料作為新型剎車材料，和傳統材料相比，具有摩擦系數穩(wěn)定、摩擦損耗量小、制動范圍大和壽命長等特點。其中C/SiC材料要比C/C材料制成的剎車材料性能更出色，對環(huán)境的適應能力更強。陶瓷基復合材料作為剎車材料較大地提高了使用溫度，減小了剎車系統體積，提高了整車的安全性，其作為新一代剎車材料具有廣闊前景。

（圖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

隨著列車速度的提高，盤形制動已成為公認的高速列車制動形式。制動過程中，制動盤吸收制動動能并將之轉化為熱能散發(fā)到空氣中，其材料結構和性能不被破壞。我國高速列車時速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(wěn)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，世界各國對高速列車制動盤進行了大量的研究工作，其重點主要放在制動材料的選取上，法、德、日、英等國致力于開發(fā)傳統制動盤材料之外的新型材料，以減輕列車簧下重量，降低牽引功率耗損。目前高速列車制動裝置材料的發(fā)展趨勢是采用密度更低、摩擦因數更高、耐磨性能更好的鋁基復合材料、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）

除了如上應用，陶瓷基復合材料在其他惡劣工況下應用表現也很優(yōu)秀。陶瓷基復合材料由于抗化學腐蝕性好，強度、耐磨性好，是制造密封環(huán)的理想材料，對于一些工作環(huán)境惡劣的情況，如強酸強堿環(huán)境、高溫濕熱環(huán)境、高振動復合環(huán)境，陶瓷基密封環(huán)都可以較好地工作，使用壽命和工作可靠性可以得到保障。陶瓷基復合材料強度、剛度大，具有較高的硬度，將其作為防彈裝甲、保險柜防護層等均由較好地效果。

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