航空航天用熱結構材料

    在高的工作溫度、強氣流的沖刷腐蝕和高應力的振動載荷等惡劣環境下，C/SiC 被認為是較為理想的航空航天用熱結構材料之一。此外，C/SiC 復合材料在戰略導彈和多用途導彈的噴管（圖9），以及航天飛機熱防護系統及固體火箭發動機導流管等領域具有廣闊的應用前景[4]。

    圖9 多用途導彈的噴管

    在航空發動機上的應用

    航空航天技術的需求對于陶瓷基復合材料的發展起著決定性作用。歐洲動力協會（SEP）、法國Bordeaux 大學、德國的Karslure 大學、美國橡樹嶺國家實驗室早在20 世紀70 年代便率先開展了C/SiC 復合材料的研究工作。用C/SiC 復合材料制作的噴嘴已用于幻影2000 戰斗機的M55 發動機（圖10）和狂風戰斗機的M88 航空發動機上，法國“海爾梅斯”號航天飛機的鼻錐帽等也采用了這種材料[4]。國內對C/SiC 復合材料的研究起步較晚，近年來，在西北工業大學、國防科技大學和航空工業總公司43所等單位的共同努力下，C/SiC 的制備技術和性能等方面都取得了長足進步，與世界先進水平的差距在逐步縮小，并有多種航空航天用C/SiC構件通過了地面試車考核。

    航天飛行器

    航天飛行器再入大氣過程中，由于強烈的氣動加熱，飛行器的頭錐和機翼前緣的溫度高達1650℃，熱防護系統是航天飛行器的4 大關鍵技術之一。第一代熱防護系統的設計是采用放熱-結構分開的思想，即冷卻結構外部加放熱系統。C/SiC 復合材料的發展，使飛行器的承載結構和放熱一體化。尤其是哥倫比亞號熱防護系統失效造成的機毀人亡事件后，使C/SiC陶瓷基復合材料更受關注。在熱結構材料的構件中包括航天飛機和導彈的鼻錐、導翼、機翼和蓋板等。

    衛星反射鏡用材料

    衛星反射鏡材料的性能要求是密度低、比剛度大、熱膨脹系數CTE低、高導熱性以及適當的強度和硬度、可設計性等。玻璃反射鏡和金屬反射鏡加工成大型輕型反射鏡都有一定的局限性。因此，國內外都正在研究C/SiC復合材料反射鏡，該復合材料密度較低，剛度高，在低溫下熱膨脹系數小及導熱性能良好，熱性能和力學性能都比較理想，而且可以得到極好的表面拋光，是一種十分理想的衛星反射鏡基座材料。C/SiC復合材料作為反射鏡材料的研究在國外已經進行了20 多年，技術比較成熟，如美國、俄羅斯、德國、加拿大等利用碳纖維增強碳化硅復合材料（Cf /SiC）制備出高性能反射鏡。最具代表性的是德國Donier 衛星系統公司采用LSI方法制備的C/SiC 復合材料反射鏡作為空間望遠鏡主鏡（圖11），直630mm，質量僅為4kg ，最大可制作3m的大型反射鏡，可望用作美國下一代空間望遠鏡（NGST）用反射鏡[5]。

    圖11 C/SiC 復合材料反射鏡

    其它特殊領域

    C/SiC 陶瓷基復合材料除上述應用外，還應用在核聚變第一壁、液體火箭發動機、導彈端頭帽及衛星窗框上。如西北工業大學研制的液體火箭發動機C/SiC 復合材料系列噴管成功通過試車考核。另外，Cf /SiC熱結構材料的機械連接技術近年來已經取得了相當程度的進展，主要應用于連接固定熱的外表面和航空框架結構中冷的襯墊，及用作密封裝置[5]。

    碳基體系

    C/C復合材料的應用

    世界各國均把C/C 復合材料用作導彈及先進飛行器高溫區的主要熱結構材料，隨著材料性能的不斷改進，其應用領域逐漸拓寬[6-7]。

    先進飛行器上的應用

    導彈、載人飛船、航天飛機等，在再入環境時飛行器頭部受到強激波，對頭部產生很大的壓力，其最苛刻部位溫度可達2760 ℃，所以必須選擇能夠承受再入環境苛刻條件的材料。設計合理的鼻錐外形和選材，能使實際流入飛行器的能量僅為整個熱量1%～10%左右。

    對導彈的端頭帽，也要求防熱材料在再入環境中燒蝕量低，且燒蝕均勻對稱，同時希望它具有吸波能力、抗核爆輻射性能和在全天候使用的性能。三維編織的C/C復合材料，其石墨化后的熱導性足以滿足彈頭再入時由-160℃至氣動加熱時1700℃時的熱沖擊要求，可以預防彈頭鼻錐的熱應力過大引起的整體破壞；其低密度可提高導彈彈頭射程，已在很多戰略導彈彈頭上得到應用。除了導彈的再入鼻錐，C/C 復合材料還可作熱防護材料用于航天飛機（表1）。

    表1 C/C復合材料在航天飛機上的應用

    固體火箭發動機噴管上的應用

    C/C 復合材料自上世紀70 年代首次作為固體火箭發動機（SRM）喉襯飛行成功以來，極大地推動了SRM 噴管材料的發展。喉襯部一般采用多維編織的高密度瀝青基C/C復合材料，增強體多為整體針刺碳氈、多向編織等，并在表面涂覆SiC 以提高抗氧化性和抗沖蝕能力。美國在此方面的應用有：①“民兵-Ⅲ”導彈發動機第三級的噴管喉襯材料；②“北極星”A-7 發動機噴管的收斂段；③MX 導彈第三級發動機的可延伸出口錐（三維編織薄壁C/C復合材料制品）。俄羅斯用在潛地導彈發動機的噴管延伸錐（三維編織薄壁C/C 復合材料制品）。

    表2 C/C復合材料在戰略導彈上的應用

    剎車領域的應用

    C/C復合材料剎車盤的實驗性研究于上世紀1973 年第一次用于飛機剎車。目前，一半以上的C/C復合材料用作飛機剎車裝置。高性能剎車材料要求高比熱容、高熔點以及高溫下的強度，C/C復合材料正好適應了這一要求，制作的飛機剎車盤重量輕、耐溫高、比熱容比鋼高2.5 倍；同金屬剎車相比，可節省40%的結構重量。碳剎車盤的使用壽命是金屬基的5～7倍，剎車力矩平穩，剎車時噪聲小，因此碳剎車盤的問世被認為是剎車材料發展史上的一次重大的技術進步。

    目前法國歐洲動力、碳工業等公司已批量生產C/C復合材料剎車片，英國鄧祿普公司也已大量生產C/C復合材料剎車片，用于賽車、火車和戰斗機的剎車材料（圖12）。

    圖12 C/C復合材料剎車片

    C/C復合材料用作高溫結構材料

    由于C/C 復合材料的高溫力學性能， 使之有可能成為工作溫度1500~1700℃的航空發動機的理想材料， 有著潛在的發展前景。

    渦輪發動機

    C/C 復合材料在渦輪機及燃氣系統（已成功地用于燃燒室、導管、閥門）中的靜止件和轉動件方面有著潛在的應用前景， 例如用于葉片和活塞， 可明顯減輕重量， 提高燃燒室的溫度， 大幅度提高熱效率。

    內燃發動機

    C/C 復合材料因其密度低、優異的摩擦性能、熱膨脹率低， 從而有利于控制活塞與汽缸之間的空隙，目前正在研究開發用其制活塞。

    發熱元件

    與石墨發熱體強度低脆， 加工運輸困難相比， C/C復合材料強度高， 韌性好， 耐高溫， 可減少發熱體體積， 擴大工作區。

    生物學上的應用

    碳材料是目前生物相容性最好的材料之一。在骨修復上， 碳/碳復合材料能控制孔隙的形態， 這是很重要的特性， 因為多孔結構經處理后， 可使天然骨骼融入材料之中。故C/C 復合材料是一種極有潛力的新型生物醫用材料， 在人體骨修復與骨替代方面有較好的應用前景。目前C/C 復合材料在臨床上已有骨盤骨夾板和骨針的應用；人工心臟瓣膜中耳修復材料也有研究報道；人工齒根已取得了很好的臨床應用效果。

    我國陶瓷基復合材料發展需要解決的問題及建議

    國內主要開展相關研究的單位主要包括中航復材、西北工業大學、國防科大等單位。由于我國陶瓷基復合材料的研究起步較晚，與美國、法國等西方先進國家尚存在較大差距。要實現陶瓷基復合材料在航空發動機熱端部件上的應用，亟需解決以下問題[2]：

    （1）建立基于陶瓷基復合材料的設計準則。

    陶瓷基復合材料結構與高溫合金具有本質的區別，因此不能簡單套用前期高溫合金構件設計的原理和模型，因此需要針對纖維預制體、基體、界面和表面等眾多組成單元開展多層次、多尺度的結構設計研究，建立基于陶瓷基復合材料本征結構和功能的設計準則。

    （2）加強陶瓷基復合材料本征結構與失效機理研究，建立壽命預測模型。

    材料損傷失效是陶瓷基復合材料在航空發動機熱端部位應用研究的重要內容，材料損傷失效意味著其功能不能達到材料本征性能或者設計值，嚴重時會引起構件及發動機失效等嚴重后果。因此必須基于陶瓷基復合材料的特點及服役環境，研究損傷和失效機制，進而對陶瓷基復合材料壽命進行評估和預測。

    （3）突破陶瓷基復合材料全產業鏈中的關鍵技術。

    陶瓷基復合材料結構件的研發，涉及到纖維等原材料研發、預制體編織、基體致密化、材料的精確加工與裝配、環境屏障涂層制備、無損檢測及考核驗證等多個環節，各環節的關鍵技術均取得突破才能推動整個行業的進一步發展。

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責任編輯：王元

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