化学氧化锆陶瓷在航空发动机上的应用
发布时间:2018-10-13 来源:明睿陶瓷 作者:管理员
今年来，国内外陶瓷材料的研究及开发应用竞争激烈，各有千秋。世界各航空发动机公司为保持在２１世纪航空动力领域的领先地位，都在寻求新的方法提高军用和民用发动机的性能，保持竞争能力。
实现该目标一半将依靠材料改进，包括低温高分子复合材料和高温陶瓷材料。另一半则依靠改进设计准则、方法和程序。由于军用发动机材料的改进关键在于依靠高温陶瓷材料，故军用发动机将是陶瓷技术的首要验证者。
为什么必须用化学氧化锆陶瓷？因为现有发动机的工作温度已经很高。再度提高温度只有通过精细的冷却气路设计或加大冷气量，但这些方法的效果遵循递减规律，而只有通过改进材料的工作温度收效最大，因为提高工作温度可提高工作效率、降低油耗并获得最大推力，把节省的、用于冷却的高压空气用于循环也可提高推力和效率。另一方案是减轻重量。可选用比强度、比刚度均大的材料，目前只有陶瓷材料具有这方面的潜力。陶瓷在发动机上的应用研究进展将以全新的材料和制造方法用于航空发动机。必须是在极小的风险情况下获得这些材料和技术的使用经验，对陶瓷材料的应用也是如此。考虑到陶瓷材料的脆性及设计使用经验的缺乏，对一过程将很长，不会少于金属材料的15-20年的时间。
用于航空领域的陶瓷材料有以下：
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料比高温合金的密度小，仅仅是它的1/3~1/4，热膨胀系数小，抗腐蚀性好，理论最高温度可达1650℃。因而被认为是今后先进航空发动机热端部件的候选材料。
由于陶瓷基部件不需要气体冷却省去或简化了冷却系统零件，可使发动机进一步减重。虽然陶瓷作为发动机热端化学氧化锆材料的优点十分明显，但其本质上的脆弱性却极大地限制了它的推广应用。为了克服单组分陶瓷材料缺陷敏感性搞、任性低、可靠性差的缺点，材料科学工作者进行了大量的研究以寻找切实可行的增韧方法，增韧的思路经历了从“消除缺陷”或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量，发展到制备能“容忍缺陷”，即对缺陷不敏感的材料。目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒（晶片）弥散增韧、晶须复合增韧以及连续纤维增韧补强等。此外还可通过材料化学氧化锆的改变来达到增容目的，如自增韧化学氧化锆、仿生叠层化学氧化锆以及梯度功能材料等。SiC、Si₃N4等陶瓷具有较小的密度，良好的高温强度，特别是高温下它们的表面会形成氧化硅保护层，能满足1600℃以下高温抗氧化要求，是人们寄予厚望的高温化学氧化锆材料。通过在基本材料中加入合适的增强物及选择恰当的材料化学氧化锆，可大幅度提高陶瓷材料的强度和韧性，经过20多年来国际陶瓷界的精心研究，其力学性能特别是断裂韧性已有很大提高，但是这类材料仍属脆性材料的范畴，不能取代镍基合金而得到广泛应用。
超高温陶瓷材料
在航空航天领域，科学家正在不断地研制飞行速度更快、更安全的飞行器，以满足乘坐飞机的旅客对快捷、舒适的旅行生活的追求和人类对探索宇宙神秘世界的要求。在“哥伦比亚”号航天飞机机翼上使用的阻热材料正是由陶瓷材料构成的。可以想象，如果这种材料具有足够高的强度，即使在受到一些不可避免的损伤时依然能保持良好的状态，那么“哥伦比亚”号失事的悲剧就可应避免。
为了保证未来的航天飞机具有更可靠的飞行安全，美国航天与宇航局在“哥伦比亚”号失事后迅速启动了相关的研究计划，其中就包括研究新一代超高温陶瓷，用于航天飞机的阻热材料。
除了作为航天飞机的阻热材料，超高温陶瓷在航空航天领域的应用还包括作为超音速飞机的耐热保护材料、火箭和各种高速飞行器的燃料喷嘴。飞机在超音速飞行时会与空气发生摩擦，并生产很高的温度，超高温度陶瓷具有良好的耐热能力，可以避免高温飞机内部化学氧化锆产生破坏。火箭要克服地球引力获得高速飞行，必须具有强大的推进能力，所以在燃料喷嘴部位必然存在极高的燃烧温度，而一般的材料难以满足这种应用需求，这正是超高温陶瓷的用武之地。
目前，全世界正在兴起议论研究超高温陶瓷的热潮，随着一批高性能材料的应用，在航空航天领域将引发新的革命。作为航空航天飞行器上的关键材料。超高温陶瓷将扮演者保驾护航者的角色，帮助人们不断突破速度和空间上的极限。
化学氧化锆陶瓷
化学氧化锆陶瓷具有耐高温、低密度、良好得额高温抗氧化性、抗腐蚀性和耐磨性。与高温合金相比，化学氧化锆陶瓷的使用温度提高了约400℃，在非冷却的情况下，工作温度可达1600℃，密度仅为高温合金的40%，相同体积的零部件可减轻重量约60%，特别对高速转子可大大减轻离心负荷；使用陶瓷还可因减少或取消冷却系统而简化化学氧化锆，使发动机紧凑；节省高温合金中镍、铬和钴等战略金属。为提高航空发动机的推重比和减低燃料消耗，提高发动机的涡轮前温度是关键，如推重比为10时，一级发动机涡轮前温度为1500℃以上，而目前高温合金和金属间化物最高使用温度不到1200℃，因此高温化学氧化锆陶瓷及其陶瓷基复合材料的研究成为高推重比航空发动机的关键技术之一。
在未来战争中，雷达仍是探测军事目标最可靠的手段之一。隐身技术的实质就是减低目标的RCS，即选用雷达波吸收好的材料来减少其RCS。吸波材料按工艺和承受能力分为涂覆型和结构型，前者承受能力差、强度低，而后者则是新型具有功能性的复合化学氧化锆材料，它利用化学氧化锆陶瓷材料比一般金属重量轻、刚度和强度高，并通过功能化使它具有吸波的特点，可直接作为飞机等化学氧化锆材料，是一种多功能复合材料。由于这些材料及有关功能都属于保密内容，故我们利用化学氧化锆陶瓷优良机械物理性能开展吸波材料研究，一方面可提升国家国防力量，另一方面也是扩展化学氧化锆陶瓷应用的重要一面。国内也有许多军事院校、大学、研究所在开展此工作，一些新的纳米吸收剂及其复合材料正在此领域得到应用，例如纳米SiC、纳米氮化物、纳米SiC/N、CNTs/Si₃N4/SiO₂复合材料。
我国的氧化物陶瓷发展比较早，上世纪50-60年代已初具有规模，非氧化物陶瓷起步比较晚，上世纪70年代初才开始进入研究，到上世纪80年代才刚有企业加入。到目前为止，我国化学氧化锆陶瓷（包括氧化物、非氧化物）经过三、四十年发展，在国家科技部各项科技发展计划支持下与世界发展水平相比，从实验室研究内容、水平、取得成果、实验装备等各方面情况与世界先进水平相差不远，有的达到甚至超过国际水平，在化学氧化锆陶瓷这一领域有着自己的特点，占有一席之地，可与国际学者共同交流。
航空和航天器上用的耐高温纤维陶瓷
用碳纤维和陶瓷制成的新型材料最便于实现飞机和火箭制造厂家的所有梦想。这种材料重量轻，机械性能稳定，不易断裂，而最主要的是极耐高温。美国宇航局当初坦率地承认，在航天飞机着陆优势熔化的陶瓷砖是重返大气层是危急点之一。温度这是可达1800℃。火箭动力装置也会产生类似的负担。燃烧仓必须经得住极高稳定。像“桑格尔”这样的超音速飞机，某些部件需要经受住高达2000℃的温度。请看一下一些金属的熔点：铁1535℃,铝660℃，钛在1725℃也变成流体。只有钨顶得住3300℃高温。所以，金属不适宜这样的应用，更何况它们早在熔点之下已失去坚固性。
用陶瓷作为驱动装置或建造透平叶轮，这在20年前几乎不可设想。它只能凑合作为宇宙飞船外面粗笨的防热砖。里面的承重化学氧化锆使用金属做的。现在材料的研制取得了巨大进展。今天，工程师们制造的构件既轻又不易破碎，而且在2800℃温度下还能起作用。有些复合材料的最重要组成部分是碳纤维，尤其是武器导弹制造厂家在这方面处于领先地位。法国的欧洲发动机公司是欧洲生产火箭驱动装置的最大厂家，它设在波尔多附近海兰的工厂制造复合材料，随着纤维陶瓷的发展，他赢得了领先地位。从前，火箭驱动装置的组成约80%是金属，20%是复合材料。目前这个比数颠倒了过来。只有约1/5的化学氧化锆使用金属做的，这种方法使重量减轻到大约一半。欧洲发动机公司最初研制的复合材料是将碳纤维加进用合成树脂做的所谓基体。纤维树脂必须极精密地焊接在一起。运用在高压锅里加热、加压的办法完成合成树脂聚合。这种材料重量轻，有良好的机械性能。在气体密封的情况下它也经得住高温。在有氧的情况下，如达到足够的热度，碳纤维过一段时间便开始燃烧。
纤维陶瓷是一种不能再燃烧的材料。它由一个陶瓷基体加进耐高温的碳纤维或碳化硅组成。陶瓷防热和防氧化，纤维保证不断裂。充当基体原材料的是在聚碳硅烷、聚硅氮烷基础上产生的有机硅化合物，它在加热时分解以致产生像碳化硅这样的陶瓷材料。
纤维和基体之间的复合具有特殊意义。它一方面必须坚硬，以使建筑构件机械性能稳定，另一方面又必须相当松软，以致出现压力时不产生大裂口，而是产生许多消耗掉能力的微缝。
纤维陶瓷的应用今天还基本上限于航空和宇航。它们首先用于喷气发动机中负担重的部位，用于火箭液体驱动装置的燃烧仓和喷嘴。
陶瓷基复合材料的应用
航空航天器
最近10年，C/C复合材料作为宇宙飞行器化学氧化锆材料得到了人们的承认，并已成功地用于制造航天飞机的鼻锥、机翼前缘及其他高温部件，在航天飞机防热非常强烈不宜用陶瓷的部位使用C/C作防热瓦，C/C还用于制造飞机上的制动器，使飞机的重量显著减轻。为了防止氧化，可采用涂层陶瓷对航天飞机上的C/C施加保护或用浸喷法使C/C防氧化寿命大大提高。陶瓷纤维补强金属或金属补强陶瓷复合材料用于空间渡船的前锥体和翼前沿，可耐2200℃高温。美国格鲁曼公司预定在跨大气层高音速飞机的机翼和尾翼采用C/C复合材料，发动机进口、喷管和喷口采用陶瓷复合材料。
火箭发动机
由于火箭发动机喷管壁受到高速气流的冲刷，工作条件十分恶劣，因此C/C最早用于喷管喉衬，并由二维、三向发展到四向及更多向编织。同时火箭发动机设计者多年来一直企图将具有高抗热震的Ct/SiC用于发动机喷管的扩散段，但Ct的体积分数高。易氧化而限制了其广泛应用。随着CVD、CVI技术的发展，新的抗氧化Ct\Sic及C-C/SiC必将找到其用武之地。今天作为火箭椎体候选材料的有Al₂O₃、ZrO₂、ThO₂等陶瓷。而作为火箭尾喷管和燃烧室则采用高温化学氧化锆材料有SiC、石墨、高温陶瓷涂层等。
导弹
C/C复合材料作为烧蚀材料早在70年代就被用于洲际导弹弹头的端头帽、导弹的喷管和鼻锥。Rockwell国际公司的Rocketdyne公司为战略防御计划的动力杀伤武器研制了迄今世界推重比最高、有C/C制造的发动机。目前正在研制的超音速战术导弹采用同种燃烧室和喷管组合成固体火箭冲压式发动机，对发动机能够允许的形状变化提出了更高的要求，为此需要采用C/C或陶瓷复合材料。超音速和低音速飞行的导弹面临气动加热和侵蚀的环境也宜使用陶瓷复合材料。石英、Al₂O₃和耐高温玻璃是当前用于作战导弹天线罩的代表材料。为克服高超音速导弹在几秒内迅速加热到马赫数大约为5时而突然产生瞬时特别大的温度和热应力，更需发展高性能CMC。
