一 SiC/SiC 陶瓷基復合材料概述

    SiC/SiC 陶瓷基復合材料——航空發(fā)動機高溫合金首選替代材料

    為了提高航空發(fā)動機的推重比和降低燃料消耗，最根本的措施是提高發(fā)動機的渦輪進口溫度。數(shù)據(jù)顯示航空發(fā)動機渦輪前溫度每提高100 度，在發(fā)動機尺寸不變的條件下，推重可以增加 10%。渦輪前溫度與航空發(fā)動機熱端部件材料的最高允許工作溫度直接相關(guān)。

    50 至 60 年代，發(fā)動機熱端部件材料主要是鑄造高溫合金，其使用溫度為 800~900°C； 70 年代中期，定向凝固超合金開始推廣，其使用溫度提高到接近 1000°C；進入 80 年代以后，相繼開發(fā)出了高溫單晶合金、彌散強化超合金以及金屬間化合物等，并且熱障涂層技術(shù)得到了廣泛的應用，使熱端部件的使用溫度提高到 1200~1300°C，已接近這類合金熔點的 80%。雖然通過各種冷卻技術(shù)可進一步提高渦輪進口溫度，但作為代價降低了熱效率，增加了結(jié)構(gòu)復雜性和制造難度，而且對小而薄型的熱端部件難以進行冷卻，因而再提高的潛力極其有限。

    陶瓷基復合材料正是人們預計在 21 世紀中可替代高溫合金的發(fā)動機熱端結(jié)構(gòu)首選材料。

    陶瓷材料的耐高溫、低密度、高比強、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)異性能，使其具有替代金屬成為新一代高溫結(jié)構(gòu)材料的潛力。但陶瓷材料的脆性大和可靠性差等致命弱點阻礙了它的實用化。而連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料（CFRCMC， Continuous Fiber ReinforcedCeramic Matrix Composites，簡稱 CMC）彌補了陶瓷材料的短板。它基于陶瓷組分，采用高強度、高彈性纖維與成分相同或相近的陶瓷基體相互復合而成。由連續(xù)纖維補強增強陶瓷基體復合成材的混搭組合，類似于“鋼筋+混凝土”的優(yōu)勢互補，連續(xù)的陶瓷纖維根據(jù)需要，可編織成二維或三維的“鋼筋”骨架（即纖維預制體）、 “混凝土”則為骨架周圍緊密填充的陶瓷基體材料“水泥”，形成“1+1>2”的效果，具備高比模、耐高溫、抗燒蝕、抗粒子沖蝕、抗氧化和低密度的優(yōu)勢。它可以具有類似金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感、沒有災難性損毀。連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料主要包括碳纖維增強碳化硅（ C/SiC）和碳化硅纖維增強碳化硅（ SiC/SiC）兩種。由于 C/SiC 抗氧化性能較 SiC/SiC 差，國內(nèi)外普遍認為，航空發(fā)動機熱端部件最終獲得應用的是 SiC/SiC。

    SiC/SiC 陶瓷基復合材料的性能特點

    SiC/SiC 陶瓷基復合材料是指在 SiC 陶瓷基體中引入 SiC 纖維作為增強材料，形成以引入的 SiC 增強纖維為分散相，以 SiC 陶瓷基體為連續(xù)相的復合材料。

    SiC/SiC 陶瓷基復合材料保留了 SiC 陶瓷耐高溫、高強度、抗氧化、耐腐蝕、耐沖擊的優(yōu)點，同時兼具 SiC 纖維增強增韌作用，克服了 SiC 陶瓷斷裂韌性低和抗外部沖擊載荷性能差的先天缺陷。這種材料可以在 1316°C 的高溫環(huán)境下保待其理化特性不退化。當 SiC/SiC 材料表面噴有熱障涂層時，其最高工作溫度可繼續(xù)增加至 1480°C。盡管現(xiàn)代商用發(fā)動機渦輪前溫度可達 1650°C，額外的 170°C 溫差仍需采用壓氣機引氣冷卻來彌補，但這一引氣量相比使用傳統(tǒng)高溫合金材料的葉片已大為減少。據(jù)初步計算，采用耐溫 1480°C 的 CMC 材料高壓渦輪葉片可使發(fā)動機燃油消耗率降低 6%。同時，采用 CMC 材料制成的燃燒室高溫襯墊所需的冷卻氣量也大幅減少，進而降低冷卻空氣同燃油摻混后不完全燃燒生成氮氧化物的機會，其氮氧化物的減排潛力可達 33%。

    二 SiC/SiC 陶瓷基復合材料構(gòu)件的應用

    SiC/SiC 陶瓷基復合材料構(gòu)件的應用趨勢

    SiC/SiC 陶瓷基復合材料在航空領(lǐng)域的應用主要包括發(fā)動機燃燒室內(nèi)襯、燃燒室筒、噴口導流葉片、機翼前緣、渦輪葉片和渦輪罩環(huán)等部位。

    國外在碳化硅陶瓷基復合材料構(gòu)件的研究與應用方面，基于先易后難（先靜止件后轉(zhuǎn)動件，從低溫到高溫）的發(fā)展思路，首先發(fā)展中溫和中等載荷的靜止件，例如尾噴管調(diào)節(jié)片/密封片和內(nèi)椎體等；再發(fā)展高溫、中等載荷靜止件，例如火焰筒、火焰穩(wěn)定器及渦輪外環(huán)、導向葉片。更高載荷的靜止件或轉(zhuǎn)動件，例如渦輪轉(zhuǎn)子和渦輪葉片還處于探索階段。

    國外 SiC/SiC 陶瓷基復合材料研制脈絡(luò)

    20 世紀 80 年代，法國率先研制出牌號為 CERASEPR 系列的SiC/SiC 陶瓷基復合材料，并成功應用于 M88-2發(fā)動機（配套法國陣風戰(zhàn)斗機）噴管外調(diào)節(jié)片和 F100 型發(fā)動機（配套美國 F-15/F-16 戰(zhàn)斗機）調(diào)節(jié)片上。

    隨后各個國家持續(xù)加大對 SiC/SiC 陶瓷基復合材料制造技術(shù)領(lǐng)域投入，如美國 NASA 的 HIPTET、 HSR/EPM和 UEET 計劃，日本的AMG 計劃等， SiC/SiC 陶瓷基復合材料制造技術(shù)逐漸成熟，應用范圍也日益廣泛。據(jù)報道， SiC/SiC 陶瓷基復合材料目前已經(jīng)成功應用于F110-GE-129 發(fā)動機尾噴管、 F136 發(fā)動機渦輪葉片、F414 發(fā)動機和CFM LEAPX 發(fā)動機渦輪罩環(huán)等構(gòu)件。

    CFM 是 GE 和法國賽峰集團（ SAFRAN）旗下斯奈克瑪公司（ SNECMA）對半合資成立的公司，已向波音和空客提供了 2.5 萬余臺中型客機用噴氣發(fā)動機。其經(jīng)典之作 CFM-56 是全球裝機最多的一款發(fā)動機產(chǎn)品，堪稱傳奇。

    法國賽峰集團設(shè)計的陶瓷基復合材料（CMC）尾噴口在 2015 年 6月 16 日搭載在 CFM56-5B 發(fā)動機上完成了首次商業(yè)飛行。賽峰通過旗下兩家公司 Herakles 和 SNECMA 設(shè)計、制造了該尾噴口驗證件并進行了地面試驗。在 2012 年于 A320 上執(zhí)行了初始試驗后， CMC 尾噴口驗證件于 2015 年 4 月 22 日通過歐洲航空安全局（AESA）商業(yè)飛行使用認證。賽峰認為這項認證確認了其開發(fā)先進 CMC 零件的能力，能夠滿足日益增長的航空要求。

    CFM 公司針對單通道客機的新一代發(fā)動機 LEAP-X已經(jīng)于 2016年投放市場，該發(fā)動機將配備由 CMC 材料制造而成的高壓渦輪導向葉片。這被業(yè)內(nèi)公認為商用發(fā)動機制造技術(shù)的又一次革新。

    世界三大航空發(fā)動機巨頭對陶瓷基復合材料的應用研究

    1GE 公司

    21 世紀初， GE 公司引入 CMC 材料制造地面燃機的渦輪罩環(huán)，同時從靜子部件、開始擴展 CMC 在噴氣發(fā)動機上的應用范圍。 2016年投入使用的 LEAP-1 發(fā)動機的渦輪罩環(huán)由 CMC 材料制造，將實現(xiàn)CMC 在商用航空發(fā)動機上的首次應用。一旦 GE9X 發(fā)動機在 2020 年之后投入使用，將極大擴展 CMC 在商用發(fā)動機上的應用范圍。該發(fā)動機的燃燒室火焰筒、第一級高壓渦輪噴管和罩環(huán)以及第二級高壓渦輪噴管都由 CMC 制造。2015 年初， GE9X 發(fā)動機的首個全套 CMC零部件在一臺改造過的 GEnx-1B 發(fā)動機上開始試驗。 2014 年末， GE在一臺 F414渦扇發(fā)動機平臺上驗證了由 CMC制成的低壓渦輪葉片的耐溫性和耐久性，這是 CMC 材料在旋轉(zhuǎn)部件上的首次成功應用。

    2 羅· 羅公司

    羅· 羅計劃將 CMC 引入其軍民用發(fā)動機產(chǎn)品線。其計劃內(nèi)容包括在 Advance 系列的較小型號發(fā)動機上使用帶有 CMC 內(nèi)襯的無罩環(huán)渦輪以及 urtraFan 概念里的 CMC 噴管。 2015 年前后，羅羅公司還與Orbital-ATK公司一道加入了波音公司的 787 環(huán)保演示驗證機項目，在美國聯(lián)邦航空管理局（ FAA）的 Cleen 項目指導下利用一臺 Trent1000發(fā)動機測試陶瓷噴管。試驗結(jié)果顯示 CMC 材料系統(tǒng)的耐高溫性能超過了超合金，重量比鈦合金降低了 20%， 有效降低了燃油消耗。

    羅· 羅公司 2015 年收購了位于美國加州的專業(yè) CMC 生產(chǎn)商Hyper-Therm 公司，該公司與 NASA 合作開發(fā)了首先用于液體火箭推進系統(tǒng)的主動冷卻、連續(xù)纖維增強 SiC 基復合材料推力室。

    3普· 惠公司

    普· 惠公司十分注重耐高溫陶瓷基復合材料在軍民用發(fā)動機熱端轉(zhuǎn)子部件上的應用研究，而對 CMC 在熱端靜子部件上的應用效果卻并不看好。一部分原因源于普· 惠新發(fā)動機的低壓渦輪級數(shù)配置，另一部分原因則是普· 惠更加偏愛現(xiàn)金合金材料的熱傳導性能。與其他廠商5~7 級的低壓渦輪相比，普· 惠發(fā)動機的低壓渦輪只有 3 級，因此普惠主要關(guān)注能夠承受 2700°C 以上高溫的 CMC 材料，并認為 CMC 應用于轉(zhuǎn)子件上才能帶來最大收益。普· 惠還打算在未來高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片上使用耐高溫能力更強的 CMC 材料，這也是CMC 材料低密度特性的價值所在。

    普· 惠公司認為，除制造成本外， CMC 在靜子件的應用還面臨很多問題，其中一個問題就是熱傳導性。CMC 的傳熱性相對較弱，而靜子部件的重量要求又沒有轉(zhuǎn)子部件那么苛刻，因此具有更強傳熱能力的合金材料可能比 CMC 更適合制造靜子部件。

    三 SiC/SiC 陶瓷基復合材料制造工藝與加工工藝

    SiC/SiC 陶瓷基復合材料制造工藝

    SiC/SiC 陶瓷基復合材料的制造工藝主要包括聚合物浸漬裂解工藝（ PIP, Polymer Infiltrationand Pyrolysis）、化學氣相滲透工藝（ CVI,ChemicalVapor Infiltration）和反應浸滲工藝（ RI, Reaction Infiltration）等。日本和法國分別以 PIP 和 CVI 技術(shù)見長，德國在 RMI 技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)世界領(lǐng)先，美國以CVI 和 PIP 技術(shù)為主。目前在 SiC/SiC 陶瓷基復合材料制造工藝領(lǐng)域領(lǐng)先的研究機構(gòu)主要有法國Boreleaux 大學、美國 Oak-Ridge 國家實驗室和日本 Osaka Prefecture 大學等。上世紀七十年代初期法國Bordeaux 大學 Naslian 教授發(fā)明了 CVl制造連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料 （簡稱 CMC- SIC）的新方法，現(xiàn)已發(fā)展成為工程化技術(shù)，而后美國購買了法國專利。

    SiC/SiC 陶瓷基復合材料加工工藝

    由于 SiC/SiC 陶瓷基復合材料的硬度大，特別是材料由基體、纖維等多部分構(gòu)成，具有明顯的各向異性，加工后 SiC/SiC 陶瓷基復合材料的表面形貌、尺寸精度和位置精度等對構(gòu)件的安全性、可靠性和使用壽命等都有重要影響，已成為制約 SiC/SiC 陶瓷基復合材料構(gòu)件工程化應用的主要瓶頸之一。

    SiC/SiC 陶瓷基復合材料的加工主要包括切邊、鉆孔、三維成型和微槽成型等內(nèi)容。加工工藝主要包括機械加工、水射流加工、激光加工 3 類。

    四 SiC 纖維概述

    SiC 纖維生產(chǎn)工藝

    SiC/SiC 陶瓷基復合材料通常由 SiC 纖維、界面層、 SiC 陶瓷基體和熱防護涂層組成。

    SiC 纖維位于 SiC/SiC 陶瓷基復合材料的上游，是整個產(chǎn)業(yè)鏈至關(guān)重要的一環(huán)。 由于 SiC 纖維有著其它纖維無可替代的作用，發(fā)達國家紛紛投入大量資金致力于此類陶瓷纖維的研制與開發(fā)。目前世界上僅日本和美國能批量提供通用級和商品級的 SiC 纖維，已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)能達百噸級的僅有日本碳公司和日本宇部興產(chǎn)株式會社，典型產(chǎn)品牌號分別為 Nicalon NL-200 及 Tyranno Lox M。

    目前制備連續(xù) SiC 纖維的方法主要有：先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法（ 3P,Preceramic Polymer Pyrolysis）、化學氣相沉積法（ CVD ,Chemical VaporDeposited）、活性碳纖維轉(zhuǎn)化法（ CVR, Chemical Vapor Reaction）等。其中，化學氣相沉積法已逐漸被淘汰，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法是目前比較成熟且已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的方法，是 SiC 纖維制備研究的主流方向。

    先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備 SiC 纖維，其工藝路線可分為聚碳硅烷（ PCS）合成、熔融紡絲、不熔化處理和高溫燒成 4 大工序，即首先由二甲基二氯硅烷脫氯聚合為聚二甲基硅烷，再經(jīng)過高溫（ 450～500℃）熱分解、重排、縮聚轉(zhuǎn)化為聚碳硅烷；在 250～350℃下，聚碳硅烷在多孔紡絲機上熔紡成連續(xù)聚碳硅烷纖維，再經(jīng)過空氣中約 200 ℃的氧化交聯(lián)得到不熔化聚碳硅烷纖維，最后在高純氮氣保護下 1000℃以上裂解得到 SiC 纖維。

    SiC 纖維的代際劃分及主要性能

    1975 年日本東北大學的 Yajima（矢島圣使）教授用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法成功開發(fā)出連續(xù) SiC 纖維，奠定了先驅(qū)體法制備 SiC 纖維工業(yè)化的基礎(chǔ)。 1978 年日本碳公司取得 Yajima 教授的 SiC 纖維專利實施權(quán)后，在日本新技術(shù)開發(fā)事業(yè)團的支持下，組織國內(nèi) 30 多名頂級材料專家，經(jīng)近 10 年的努力，耗資約 11 億日元，于 1989 年完全實現(xiàn)了纖維的工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品以 Nicalon 商品名正式進入市場銷售。日本宇部興產(chǎn)公司也于 1988 年產(chǎn)業(yè)化制成功另一種連續(xù) Si-Ti-C-O 纖維，以Tyranno 商品名銷售。美國也于同期制備了多晶纖維，并以 Sylramic商品名銷售。

    根據(jù)纖維組成、結(jié)構(gòu)及性能的發(fā)展變化過程，先驅(qū)體法制備的 SiC纖維可分為三代，第一代為高氧碳 SiC 纖維，第二代為低氧高碳含量SiC 纖維，第三代為近化學比 SiC 纖維。其中，第一、二代 SiC 纖維基本是低密度、高碳含量、無定形纖維，其耐溫性能一般不超過1300℃；第三代為高密度、近化學計量比、多晶 SiC 纖維，其耐溫性能大于 1700℃，能夠滿足許多尖端裝備需要。

    第一代 SiC 纖維

    以日本碳素公司（ Nippon Carbon）的 Nicalon 200 纖維和宇部興產(chǎn)（ Ube Industries）的 Tyranno LOX-M 纖維為代表的高氧碳 SiC 纖維，一代纖維均采用氧化交聯(lián)方式，最終纖維中的氧質(zhì)量分數(shù)為10%~15%，當使用溫度達到 1200℃以上，纖維中的 SiCxOy 相發(fā)生分解反應，納米 SiC 晶體長大，導致力學性能急劇下降。

    第二代 SiC 纖維

    以日本碳素公司的 Hi-Nicalon 纖維和宇部興產(chǎn)公司的 TyrannoLOX-E、 Tyranno ZM 和 Tyranno ZE 等低氧、高碳含量 SiC 纖維為代表，主要采用電子束交聯(lián)，第二代 SiC 纖維中氧的質(zhì)量分數(shù)降低，自由碳的質(zhì)量分數(shù)相對較高， SiC 晶粒尺寸較第一代大，纖維使用溫度由 1200℃提高到 1300℃。

    第三代 SiC 纖維

    以日本碳素公司的 Hi-NicalonType S、宇部興產(chǎn)的 Tyranno SA 以及美國道康寧（ Dow Corning）公司的 Sylramic 等牌號的近化學計量比 SiC 纖維為代表，在組成上接近 SiC 化學計量比，游離碳和雜質(zhì)氧含量明顯降低，在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為高結(jié)晶度的 SiC 多晶結(jié)構(gòu)，其耐溫能力大幅提升至 1700℃。

    五 國內(nèi) SiC 陶瓷基復合材料及 SiC 纖維研制概況

    國內(nèi) SiC 陶瓷基復合材料構(gòu)件研制情況

    我國從 20 世紀 80 年代開始，就有張立同院士領(lǐng)導的西北工業(yè)大學研發(fā)團隊，以及中航工業(yè)復材中心、航天材料及工藝研究所、國防科大、中科院硅酸鹽研究所等單位先后跟蹤國際前沿啟動研發(fā)工作。“硅陶瓷基復合材料”課題被列入總裝“九五”預研計劃，要求該課題在“九五”期間完成制備工藝研究，并對 CMC-SiC 的模擬件在發(fā)動機試驗臺上考核，結(jié)果僅用 5 年時間就實現(xiàn)了由制造工藝研究到構(gòu)件考核的跨越。

    目前國內(nèi)已經(jīng)突破第二代 SiC 纖維和 SiC/SiC 復合材料研制關(guān)鍵技術(shù)，具備了構(gòu)件研制和小批量生產(chǎn)能力，但在工程產(chǎn)業(yè)化方面與西方發(fā)達國家尚存在明顯差距。根據(jù)西北工業(yè)大學張立同院士 2003 年 1 月發(fā)表在《航空制造技術(shù)》上的《新型碳化硅陶瓷基復合材料的研究進展》， “我國高推重比航空發(fā)動機的研制對陶瓷基復合材料也提出了需求，CMC-SiC 燃燒室浮壁模擬件和尾噴管調(diào)節(jié)片構(gòu)件已分別在發(fā)動機試驗臺和發(fā)動機上成功地進行了初步驗證。 ”； “西北工業(yè)大學超高溫復合材料實驗室經(jīng)過近 7 年的努力，自行研制成功擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的 CVI 法制備CMC-SiC 的工藝及其設(shè)備體系， CVI-CMC-SiC 的整體研究水平已躋身國際先進行列。 ”； “目前已成功研制了 20 余種 160 余件 CVI-CMC-SiC 構(gòu)件，其中液體火箭發(fā)動機全尺寸 C/SiC 噴管通過了高空臺試車， CMC-SiC 浮壁瓦片模擬件和調(diào)節(jié)片分別通過了航空發(fā)動機環(huán)境的短時間考核， C/SiC 固體火箭發(fā)動機導流管通過了無控飛行考核。 ”由此可見早在十余年前我國碳化硅陶瓷基復合材料的工程化研制工作就已取得較大進展。

    根據(jù) 2006 年 10 月西工大張立同院士及廈門大學陳立富教授聯(lián)合署名發(fā)表的《高性能碳化硅陶瓷纖維現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢與對策》， “我國已打破國際封鎖，自主攻克了碳化硅陶瓷基復合材料構(gòu)件批量制造技術(shù)，但是由于缺少高性能 SiC 纖維，目前只能用碳纖維代替。但是碳纖維耐氧化性差，嚴重限制了 SiC/SiC 在高溫長時熱力氧化環(huán)境中的應用，不能滿足航空發(fā)動機熱結(jié)構(gòu)部件的要求。 ”由此可見， 十年前我國 SiC 纖維的研制工作尚無法滿足下游結(jié)構(gòu)件的發(fā)展需要。

    國內(nèi) SiC 纖維研制情況

    SiC 纖維因其特殊性，一直被作為軍事敏感材料，國外對我國實行技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷。國內(nèi)必須獨立自主的開發(fā)和研究 SiC 纖維，尤其是耐超高溫的 SiC 纖維，才能促進國內(nèi)先進復合材料的發(fā)展和武器裝備的研制，提高我國軍事實力和綜合國力。我國研究 SiC 纖維的主要單位有國防科技大學、廈門大學等，并取得了卓有成效的成果；蘇州賽力菲陶纖有限公司是我國首家成功實現(xiàn)連續(xù) SiC 纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)。我國從 20 世紀 80 年代開始 SiC 纖維的研究，比日本晚 8 年左右，而與美國和德國幾乎同步。

    20 世紀 90 年代和 21 世紀初，國防科技大學和廈門大學分別開展了含鋁 SiC 纖維和低氧 SiC 纖維、含雜 SiC 纖維的研究。在師昌緒、才鴻年、張立同和劉大響等一批院士的建議和支持下，這些研究獲得國家有關(guān)科技計劃的支持。國防科技大學是我國最早開展先驅(qū)體法制備 SiC 纖維和含鈦 SiC纖維研究的單位，經(jīng)歷了實驗室制得短纖維到制備連續(xù)纖維和工業(yè)化開發(fā)過程。以馮春祥教授為首的科研團隊經(jīng)過艱苦的探索，于 1991年建成了國內(nèi)第一條連續(xù)碳化硅纖維實驗生產(chǎn)線。目前已建成了產(chǎn)能500kg/年的 SiC 纖維中試生產(chǎn)線，制得了具有較好力學性能的連續(xù) SiC纖維及含鈦碳化硅纖維。中國工程院張立同院士的領(lǐng)導下，廈門大學特種先進材料實驗通過自主開發(fā)以及與國際合作研制，形成了國際先進、國內(nèi)唯一的高性能連續(xù)陶瓷纖維的制造平臺。制得的 SiC 纖維性能接近日本同類產(chǎn)品水平，目前正在進行小批量生產(chǎn)技術(shù)的完善。廈門大學的特色在于通過電子束輻射和熱化學交聯(lián)的方式，實現(xiàn)了 SiC 原絲纖維的非氧氣氛交聯(lián)，制得低氧含量的交聯(lián)纖維，再經(jīng)過高溫燒成制得低氧含量的高耐溫 SiC 纖維。蘇州賽力菲陶纖有限公司（簡稱蘇州賽力菲） 2005 開始進行碳化硅材料研發(fā)， 技術(shù)來源于國防科大。 2011 年，蘇州賽力菲成功實現(xiàn)連續(xù) SiC 纖維的產(chǎn)業(yè)化，并開始向國內(nèi)相關(guān)單位提供可用纖維，使我國成為繼日本和美國后又一個能實現(xiàn)連續(xù) SiC 纖維產(chǎn)業(yè)化的國家。目前蘇州賽力菲已經(jīng)實現(xiàn)連續(xù)第一代 SiC 纖維 SLF-I 纖維的工程化生產(chǎn)，基本突破第二代 SiC 纖維制備關(guān)鍵技術(shù)， 2~3 年時間內(nèi)可實現(xiàn)連續(xù)第二代 SiC 纖維工程化生產(chǎn)（年產(chǎn)能噸級）。

    與國外產(chǎn)品相比，賽力菲 SLF-I 纖維的力學性能與編制性能接近或達到國外產(chǎn)品，但在綜合性能和產(chǎn)能上仍有一定的差距。目前蘇州賽力菲陶纖有限公司已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)能噸級連續(xù) SiC 纖維，產(chǎn)能 10 噸/年的產(chǎn)業(yè)化基地正在建設(shè)中。

    六 SiC 陶瓷基復合材料構(gòu)件及 SiC 纖維市場前景

    國際航空發(fā)動機巨頭對 SiC 陶瓷基復合材料市場前景的判斷

    來自 GE 公司官方的預測： 2013-2023 年航空發(fā)動機市場對 CMC的需求將遞增 10 倍。據(jù)此，為應對 CMC 部件需求增長帶來的產(chǎn)能壓力， 2013 年 6 月 GE 投資 1.25 億美金，在美國北卡羅萊納州的阿什維爾建設(shè) 1.16 萬 m2 的生產(chǎn)基地，用以支撐 LEAP-X 發(fā)動機 CMC 部件的量產(chǎn)，也為日后 GE9X 發(fā)動機供應所需 CMC 批產(chǎn)部件，并將逐步應用到為波音 787 和 747-8 提供動力的 GEnx 上，以及在 CFM 的新一代 LEAP 發(fā)動機上全面推廣。

    為確保高端 SiC 纖維的供應， 2012 年 4 月 GE 還攜手 SNECMA對外發(fā)布，將聯(lián)合日本碳素公司合資成立 NGS 公司（ NGS AdvancedFibers Co. Ltd.），生產(chǎn)和售“Nicalon”品牌 SiC 連續(xù)纖維，以確保“兩強”對 CMC 關(guān)鍵原材料 SiC 纖維的持續(xù)供應能力。

    GE 正努力將 CMC 應用到發(fā)動機的各種部件，包括渦輪葉片升級用到 F414 中，預計到 2016~2018 年間將日產(chǎn) 800 個 CMC 成品部件，以兌現(xiàn)大力拓展 CMC 發(fā)動機部件應用的承諾。CFM 準備從 2016 年開始由 CFM56 的生產(chǎn)逐漸過渡到 LEAP-X發(fā)動機，到 2020 年實現(xiàn)年產(chǎn) 1700 臺發(fā)動機。為實現(xiàn)這一產(chǎn)能需求，計劃投資 7.5 億美元，在美國密西西比州埃利斯維爾新建和擴建廠房，總面積擴至 139350m2，用于量產(chǎn) CMC 材料部件。

    SiC 陶瓷基復合材料在我國航空航天發(fā)動機領(lǐng)域的應用前景

    根據(jù)《中國航天報》 2014 年 5 月的報道，中國航天科技集團公司六院 11 所研制生產(chǎn)的陶瓷基復合材料噴管首次參加地面試車，順利通過了發(fā)動機方案驗證。

    根據(jù)中國商用航空發(fā)動機公司研究員 2014 年發(fā)表在《航空制造技術(shù)》的《商用航空發(fā)動機陶瓷基復合材料部件的研發(fā)應用及展望》，我國商用航空發(fā)動機處在追趕先進的研制階段，不遠的將來，也將推出裝配具有自主知識產(chǎn)權(quán) CMC 部件的國產(chǎn)長江系列商用航空發(fā)動機。

    由此可見，我國航空航天發(fā)動機產(chǎn)業(yè)對 SiC 陶瓷基復合材料的研制正在穩(wěn)步推進。 SiC 陶瓷基復合材料與 SiC 纖維應用前景值得期待。

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責任編輯：王元

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