CMC的发展及进展

CMC的发展及进展第1页/共41页目录一、前言二、氧化物CMC特点及应用三、碳化硅CMC特点及应用第2页/共41页一、前言第3页/共41页超音速飞行器防热系统超音速飞行器速度越高，与空气摩擦产生的温度愈高，因而需要发展更耐高温的防热系统(TPS)。马赫数第4页/共41页超音速飞行发动机热结构材料以航空发动机为例，不断提高推力才能不断提高飞行速度，而提高推力需要提高发动机工作温度和降低重量，因而需要发展更耐高温更低密度的热结构材料。陶瓷材料陶瓷基复合材料传统铸造耐热合金第5页/共41页陶瓷材料优点：耐高温低密度缺点：难加工脆性高玻璃球不易碎陶瓷材料尺寸越大越脆第6页/共41页陶瓷基复合材料层状连续纤维晶须强韧性各向异性各向同性陶瓷基复合材料颗粒各向同性各向异性连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CMC)可以从根本上克服陶瓷的脆性，是陶瓷基复合材料发展的主流。第7页/共41页连续纤维增韧陶瓷基复合材料非氧化物氧化物长期工作温度（ºC）抗氧化连续纤维陶瓷基复合材料玻璃陶瓷低成本高性能CMC-SiC是发展耐高温、长寿命、抗氧化热结构陶瓷基复合材料的基础。第8页/共41页美国国家科学研究院受国防部委托，经过3年调查，2003年发表的“面向21世纪国防需求的材料研究”报告中指出：“根据目前各种材料的发展状况，到2020年，复合材料最有潜力获得20-25%的性能提升。其中，陶瓷基和聚合物基复合材料的密度、刚度、强度、韧性和高温能力都可能有如此大的改善”，被列为最优先研究的材料。连续纤维增韧陶瓷基复合材料的战略地位第9页/共41页二、氧化物陶瓷基复合材料第10页/共41页氧化物陶瓷基复合材料Constituent(要素):Al2O3/Mullite(Al6Si2Al13)Continuousfiber/PorousmatrixStructure:Matrixporosity60-85Vol%Fiberfraction42-48Vol%Totalporosity35-50Vol%氧化物陶瓷基复合材料具有多孔基体特性多铝红柱石多孔基体基体孔隙总孔隙率第11页/共41页氧化物复合材料的稳定性H2OcorrosionFiber-Matrixreaction

Graingrowth氧化物陶瓷基复合材料具有良好的热化学稳定性颗粒增长第12页/共41页氧化物复合材料抗环境腐蚀涂层Oxide-CMC(Al2O3/Mullite)Al2O3-transitionlayerYSZ(Y2O3stabilizedZrO2)Againstwatervapor抗环境涂层可进一步提高氧化物陶瓷基复合材料的环境性能氧化钇增韧氧化锆第13页/共41页氧化物复合材料的应用限制：在水分压P2bar的H2O蒸汽环境化学稳定优点：减少冷却气和氮氧化物尾气排放在燃烧室的潜在应用第14页/共41页氧化物复合材料的应用在涡轮增压器的潜在应用第15页/共41页氧化物复合材料的应用在各种小型发动机尾喷口的应用科曼奇黑鹰眼镜蛇第16页/共41页三、CMC-SiC的应用第17页/共41页纤维（C、SiC）纤维预制体构件束丝纤维（500～3000根/束）单丝纤维（6~14微米/根）陶瓷基体（SiC）界面层（PyC厚度:100～200纳米）宏/细/微观结构适当的制备技术是确保材料跨尺度结构优化的基础，通过结构单元之间的协同效应，实现材料强韧化。第18页/共41页在纤维、界面、基体和表面涂层中，纤维和界面是最关键的功能组元，只有有效保护纤维和界面，才能确保CMC强韧性非骨架类骨架类骨筋肉皮承载传载连接与成形防护伤筋动骨破皮损肉功能失效C或SiC纤维PyC界面层碳化硅基体表面涂层结构单元作用：仿生结构和功能失效机制第19页/共41页使用温度对比(航空发动机)使用温度(℃)性能特征－耐高温第20页/共41页密度对比(航空发动机)低密度第21页/共41页热流密度与线烧蚀率的关系抗烧蚀性好0123456500150025003500450055006500热流密度/KW.m-2线烧蚀率×10-2/mm.s-1C/CC/SiC0123456500150025003500450055006500热流密度（KW.m）-2线烧蚀率×10-2/mm.s-1C/CC/SiC平板射流烧蚀第22页/共41页温度(ºC)热膨胀系数(10-6/K)针刺2D2.5D3D纵向面内横向纵向横向纵向1001.901.741.521.251.681.4213004.462.686.953.667.722.29热膨胀系数变化小第23页/共41页阻尼系数高编制结构对有涂层C/SiC阻尼性能的影响1Hz00.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.0180.02050100150200250300350400450Temperature(℃)TanDelta3D2D

1Hz第24页/共41页热辐射系数高2D-C/SiC和3D-C/SiC的室温热辐射性能

0.780.820.750.820.830.760.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00无涂层SiC涂层SiC涂层+抛光2D3DTotalHemisphereEmissivity(eH)

2D2D3D3D第25页/共41页可实现各种连接同质和异质连接金属与复合材料的焊接金属与复合材料螺钉连接复合之间的粘结复合材料之间的铆接第26页/共41页集成连接技术制造空天飞行器组合襟翼组合襟翼由底板、面板、螺栓和U型梁等数十种构件组成第27页/共41页

CMC-SiC的应用进展第28页/共41页提高工作温度300~500℃提高推力30%~100%结构减重50%~70%

1、航空发动机燃烧室喷管涡轮第29页/共41页以推重比10航空发动机为演示验证平台对喷管、燃烧室和涡轮三大部分进行了大量考核喷管调节片和密封片等构件已经完成全寿命验证进入实际应用和批量生产阶段(1200C/100小时)燃烧室火焰筒和内外衬等构件正进行全寿命验证可望进入实际应用阶段(1200C/500小时)涡轮转子和导向叶片等构件还处于考核探索阶段使用寿命与应用要求相差甚远(1200C/3.5小时)国际总体情况第30页/共41页飞机/发动机型号推重比应用部位和效果F22/F117（美）10矢量喷管内壁板代替高温合金有效地减重，解决了飞机重心后移问题EF2000/EJ200(欧)10燃烧室、火焰稳定器和尾喷管调节片分别通过军用发动机试验台、军用验证发动机严格审定，证明CMC未受高温高压损伤阵风/M88-III(法)9~10作尾喷管调节片试验成功F118F/F414(美)9~10成功用于燃烧室B777/Trend800(美/英)民用扇形涡轮外环试验成功，表明使用CMC构件大大节约冷却气量、提高工作温度、降低结构重量，提高使用寿命验证机种第31页/共41页接替高温合金，减重70%，提高工作温度200~500℃验证的典型构件第32页/共41页700C减重50%疲劳寿命优于高温合金法国Snecma公司生产的CMC-SiC调节片、密封片在Rafale战斗机的M53-2和M88-2发动机上已装机使用10年调节片和密封片已经应用第33页/共41页

2、高比冲液体火箭发动机主要用于推力室和喷管，提高燃烧室压力和寿命，减少再生冷却剂量，实现轨道动能拦截系统的小型化和轻量化

燃料氧化物泵燃烧室喷嘴第34页/共41页3、助推固体火箭发动机主要用于推力室和喷管，可显著碱重，提高推力室压力和寿命，同时减少再生冷却剂量，实现轨道动能拦截系统的小型化和轻量化。第35页/共41页

4、冲压发动机主要用于燃烧室和喷管喉衬，解决有限寿命服役的抗氧化烧蚀难题，保证飞行器长航程燃烧室与喷管第36页/共41页

5、高超声速飞行用于大面积热防护系统(TPS)，比金属的减重50％，提高安全性和使用寿命，减少发射准备程序，减少维护，降低成本第37页/共41页

6、高速刹车系统▼新一代战斗机，也可用于民机、高速列车、赛车和跑车▼比C/C刹车材料制备周期短、成本低、强度高