陶瓷在航空领域中的应用

第39卷第3期42006年6月江苏陶瓷

JiangsuCeramics

V0I.39.No.3

June,2006

摘要

和趋势.

关键词

0前言

陶瓷在航空领域中的应用

胡彦

(南窜航空航天大学电气工程与自动化熏，南京210016)

论述了陶瓷材料在航空领域中的应用，介绍了国内外陶瓷材料的发展现状陶瓷；航空发动机；陶瓷基复合材料；应用；发展趋势

在高科技领域里，材料技术是决定其他技术能否

实现的关键技术之一.在新材料中，现代陶瓷又以其

很高的韧性，可塑性，耐磨性和抗冲击能力，高温下的

高强度，以及优异的电磁光学和生物化学上的多种功

能而受到人们的重视.

近年来，国内外陶瓷材料的研究及开发应用竞争

激烈，各有千秋.本文论述陶瓷材料在航空领域中的

应用，介绍了国内外陶瓷材料的发展现状和趋势.

l陶瓷在航空发动机上的应用

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.评定发动机性能的主要指标之一是推重比，预计在201O年军用发动机的推重比将提高50%，民用发动机将提高25%.

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，降低油耗并获得更大推力，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两方面的潜力.预计2010年陶瓷占发动机总重

20%.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收稿日期:2006--01—25

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，这一过程将很长，不会少于金属材料的15-20 年的时间.

2几种用于航空领域的陶瓷材料

2.1陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料比高温合金的密度小(仅为后者

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结构材料的优点十分明显，但其本质

上的脆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高，韧性低，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"或减小缺陷尺寸，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(短切纤维) 复合增韧以及连续纤维增韧补强等.此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的，如自增韧结构，仿生叠层结构以及梯度功能材料等,SiC,Si,N4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160oqC以下高温抗氧化要求，是人们寄予厚望的高温结构材料.通过在基体材料中加入合适的增强物及选择恰当的材料结构，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.

胡彦：陶瓷在航空领域中的应用学术研究5

2.2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字宙神秘世界的要求.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"号失事的悲剧就可以避免.

为了保障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(NASA)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，并产生很高的温度，超高温陶瓷具有良好的耐热能力，可以避免高温对飞机内部结构产生破坏.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，全世界正在兴起一轮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, 超高温陶瓷将扮演着保驾护航者的角色，帮助人们不断突破速度和空间上的极限.

2.3结构陶瓷

结构陶瓷具有耐高温，低密度，良好的高温抗氧

化性，抗腐蚀性和耐磨性.与高温合金相比，结构陶瓷的使用温度提高了约400℃，在非冷却情况下，工作温度可达l600't2，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

而简化结构，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降低燃料消耗，提高发动机的涡轮前温度是关键，如推重比

为1O时，一级发动机涡轮前温度为15o0℃以上，而目前高温合金和金属问化物最高使用温度不到1200℃, 因此高温结构陶瓷及其陶瓷基复合材料(cMc)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降低目标的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载能力分为涂覆型和结构型，前者承载能力差，强度低，而后者则是新型具有功能性的复合结构

材料，它利用结构陶瓷材料比一般金属(如，钢等)重

量轻，刚度和强度高，并通过功能化使它具有吸波的

特点，可直接作为飞机等结构材料，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, 故我们利用结构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