航空發(fā)動機(jī)陶瓷基復(fù)合材料渦輪部件研究進(jìn)展

自十八大以來，習(xí)近平主席將創(chuàng)新提升到社會發(fā)展的一個新高度。科技創(chuàng)新對于一國來說是提升其核心競爭力的最重要的因素，也是我國立于世界民族之林的最有力的武器。材料學(xué)作為尖端學(xué)科，一直備受各界矚目。上至探測太空， 下至到訪深海，無不需要材料學(xué)提供最為基礎(chǔ)的工具原料。就目前而言，航空材料中以陶瓷復(fù)合材料為最尖端材料。其密度小耐磨損耐高溫，是制作航空發(fā)動機(jī)渦輪必不可少的材料。但由于我國科技水平的限制，各個方面技術(shù)和設(shè)備都不夠完善，理論的研究尚未落到實(shí)處，整個材料的檢測系統(tǒng)尚未建立完全。但是對于以科技強(qiáng)國為目標(biāo)我國來說，這是必須要跨過的一道鴻溝。
1  陶瓷基復(fù)合材料的當(dāng)前發(fā)展形勢
高強(qiáng)度的韌性和可能耐住超高溫的陶瓷基復(fù)合材料，吸引著諸如美國，英國等有著先進(jìn)航空技術(shù)的國家不斷開展研究，探索如何將這種材料用于制作航空發(fā)動機(jī)渦輪高溫部件。伴隨的空氣動力學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)，熱力學(xué)，以及材料科學(xué)的飛速發(fā)展。人們對于用于運(yùn)輸?shù)臏u輪發(fā)動機(jī)的要求越來越高，其中就包含了對于其環(huán)保性能，發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性，材料的經(jīng)濟(jì)性。由這幾種來看的話，發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性是目前來說最為重要的特征。相關(guān)的研究數(shù)據(jù)顯示，目前發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)布局已經(jīng)較為成熟，想要突破相關(guān)的技術(shù)的話只能夠在創(chuàng)新材料中做文章。
眾所周知，燃?xì)庵Φ臏u輪發(fā)動機(jī)在航空器運(yùn)行時所要承受的工作溫度極高。這超出了目前來說絕大多數(shù)高溫合金的安全范圍，在有關(guān)材料尚未完善的情況下，人們不得不利用外部制冷的方式來降低高溫部件運(yùn)行溫度。但是這種方法帶來的弊處是極為明顯的，它使得發(fā)動機(jī)本身的機(jī)械效率降低，也增加了發(fā)動機(jī)的制造成本。于是人們千方百計(jì)的尋找能夠替代高溫合金的材料來制作航空器的發(fā)渦輪發(fā)動機(jī)。
高溫陶瓷基復(fù)合材料，在試驗(yàn)中表現(xiàn)出極為穩(wěn)定的耐高溫性，也符合相關(guān)的力學(xué)要求。于是就順理成章的成為制造航空器生產(chǎn)廠商所青睞的尖端材料，生產(chǎn)廠商們不遺余力的推動這種高端材料的發(fā)展。
2  陶瓷基復(fù)合材料所表現(xiàn)出的優(yōu)越性，以及所呈現(xiàn)的相關(guān)問題
在前文看來，具有耐高溫，穩(wěn)定性，密度小，硬度大，耐腐蝕的陶瓷基復(fù)合材料是十分完美的制作航空器渦輪發(fā)動機(jī)的材料。但由于目前科技水平有限，其所表現(xiàn)出來的缺點(diǎn)也是十分突出的。陶瓷基復(fù)合材料可塑性極差，塑形之后呈現(xiàn)脆性，這是其極為致命的缺點(diǎn)，影響了其應(yīng)用于實(shí)際。
當(dāng)然，科技在一直向前發(fā)展，科學(xué)理論水平也在不斷提升。人們設(shè)想，能否讓這種陶瓷基復(fù)合材料變?yōu)橄窭w維一樣的具有韌性和具有可塑性。答案是肯定的。事實(shí)證明，尖端科學(xué)的發(fā)展隨著人們的想象力的擴(kuò)展而不斷的延伸。通過采用纖維增韌的方法改進(jìn)其相關(guān)特性，制造出具有纖維韌性的增強(qiáng)版的陶瓷基復(fù)合材料。其原理是通過改變陶瓷基復(fù)合材料本身的粒子排列與相變韌化方法進(jìn)行組合，使陶瓷基復(fù)合材料在斷裂的過程中原本重組的粒子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而發(fā)生偏轉(zhuǎn)同時，與其融合的纖維絲拔出的同時固定住相應(yīng)的形態(tài)。這樣既保住了陶瓷基復(fù)合材料本身的耐高溫性和穩(wěn)定性，又能夠具有纖維絲的韌性和可塑性，這肯定是優(yōu)于原本的陶瓷基復(fù)合材料的。
與之前的高溫合金相比，經(jīng)過增強(qiáng)后的陶瓷基復(fù)合材料首先是具有密度低這一特點(diǎn)。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，利用纖維強(qiáng)化過的陶瓷基復(fù)合材料所制作的航空器的渦輪發(fā)動機(jī)相較于高溫合金材料所制作的發(fā)動機(jī)，質(zhì)量減少了62%。其次就是其具有的耐高溫能力。再也不需要傳統(tǒng)高溫合金所特制的冷卻裝置，這樣極大的減少了制作成本。對于燃料本身的利用率來說，增強(qiáng)后的陶瓷基復(fù)合材料改善了燃料燃燒時的燃燒條件，使得材料充分燃燒，減少了污染排放。第三就是其具有的穩(wěn)定性和抗腐蝕性。傳統(tǒng)的高溫合金制作的航空器的渦輪發(fā)動機(jī)，其外表總是需要涂抹一層經(jīng)過特殊處理的涂層減少外在的腐蝕性，而強(qiáng)化后的材料則根本不需要這樣處理，是在一定程度上加長了航空器發(fā)動機(jī)的使用壽命。
說完了他的長處，我們在實(shí)際的應(yīng)用中所看到的問題也不少。
由于相關(guān)技術(shù)的不成熟，對于加強(qiáng)板的陶瓷基復(fù)合材料的制作具有不確定性。傳統(tǒng)的加工方法對于這種材料的制作不具有太大的參考性，我們需要更為穩(wěn)妥確定的新的工藝方法來制作，而這種工藝手段的改進(jìn)，需要長期的累積過程以及需要充分的驗(yàn)證和發(fā)展。其次就是對于新的技術(shù)的掌握不夠。相關(guān)的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)都還沒有進(jìn)行多次驗(yàn)證，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐也不能夠確定和評估材料的實(shí)際問題。第三就是進(jìn)行這種科學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究成本費(fèi)用過高，不確定因素太多致使材料的浪費(fèi)極為明顯。
3  航空器渦輪發(fā)動機(jī)應(yīng)用新型陶瓷基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀
1980年以來，諸如美國日本法國這種經(jīng)濟(jì)相對來說較為發(fā)達(dá)的國家的發(fā)動機(jī)制造廠商對于新型的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)生了極為濃烈的興趣。
法國的一家公司為了減輕渦輪發(fā)動機(jī)質(zhì)量，提高其高溫的耐久度。不計(jì)成本的使用陶瓷基復(fù)合材料噴管調(diào)節(jié)片，某種程度上來說，這一家法國公司具有無可比擬的超前眼光。在后續(xù)的發(fā)展與研究中，中期的不計(jì)成本的投入，使其在市場競爭中站在最前列的位置。這家公司成功研制出利用碳纖維增強(qiáng)的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料。利用碳釬維的多層次分布增強(qiáng)其耐高溫性，然后利用碳化硅滲透其機(jī)體構(gòu)筑其新結(jié)構(gòu)。這種材料具有非脆性，耐高溫，抗氧化，密度小等特性，并且該公司在當(dāng)時還進(jìn)行了大量試驗(yàn)證明了其壽命長這一特色特點(diǎn)，之后便進(jìn)行大批量生產(chǎn)應(yīng)用到m882發(fā)動機(jī)之上。
法國在先，美國緊隨其后。1990年后，美國航空公司，發(fā)動機(jī)制造廠商制定一系列計(jì)劃，重點(diǎn)研究先進(jìn)材料。其中便包括了對于陶瓷基復(fù)合材料的研究。
在這一系列計(jì)劃中，美國航空公司通過改進(jìn)工藝?yán)镁?xì)化生產(chǎn)。去除原本在陶瓷基復(fù)合材料中易蠕變的組成部分，然后通過處理其相關(guān)表面提升抗蠕變性，在優(yōu)化工藝手段上去降低這種復(fù)合材料的特性分散度。在這些年的發(fā)展進(jìn)程過程中，美國航空公司通過與其他公司合作開發(fā)研制出一系列的類似于F414發(fā)動機(jī)這樣的高精尖端發(fā)動機(jī)，并在其上配備了碳纖維增強(qiáng)過后的陶瓷基復(fù)合材料調(diào)節(jié)片。并在經(jīng)過了標(biāo)準(zhǔn)硬件的測試和實(shí)驗(yàn)過后驗(yàn)證了其具有的高溫性能和穩(wěn)定性能，目前已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)。
總而言之，增強(qiáng)型的陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用前景極為廣泛，而對于航空器渦輪發(fā)動機(jī)的應(yīng)用只是其中之一。目前我國在這一塊的研究尚未進(jìn)入世界前列，仍需更多的有識之士通過學(xué)習(xí)和研究來推進(jìn)我國相應(yīng)陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://www.007hgw.com/w/qk/21223.html