導語

高性能特種陶瓷材料也被稱作先進陶瓷撤忆、新型陶瓷孵钱，主要是指以高純度人工合成的無機化合物為原料，采用現代材料工藝制備考皂，具有獨特和優(yōu)異性能的陶瓷材料奇搪。因此，該材料被用于陶瓷基復合材料（CMC）的制備遗酷，具有低密度住龙、高溫抗氧化、耐腐蝕笛驴、低熱膨脹系數监征、低蠕變等優(yōu)點，在航空/航天/兵器/船舶等高技術領域有著廣泛應用饵逐。其中碳化硅基陶瓷復合材料是目前研究最為深入括眠、商業(yè)化最好的高性能特種陶瓷材料彪标。

采用陶瓷基復合材料葉片的渦輪轉子

為了提高燃機輸出效率，航空航天發(fā)動機掷豺、燃氣輪機的熱端部件需承受600℃～1200℃的高溫以及復雜應力的交互作用捞烟，材料要求非常苛刻当船。相較于高溫合金题画，碳化硅不僅能夠承受高溫，其密度僅有高溫合金的1/4~1/3生年，這意味著發(fā)動機重量可以進一步降低婴程，相同載油量情況下，飛機的航程及載彈量可大幅提升抱婉。

需求端档叔，隨著高推重比航空發(fā)動機的定型、空間飛行器技術的迫切需求和快速發(fā)展蒸绩，CMC作為新一代材料衙四，已在軍用、民用領域已經展現出巨大的發(fā)展?jié)摿Χ浪荨８鶕﨧arketsandMarkets預測凹毛，2016-2026年10年間，全球陶瓷基復合材料市場將以9.65%的CAGR迅速增長葬爽，在2026年前將達到75.1億美元鸳岩。

國外碳化硅纖維起步早，技術儲備雄厚嘱董，由于技術壁壘極高價格一致居高不下听番，且一致對中國禁運。日本NipponCarbon和UbeIndustries是國際市場最主要的SiC纖維生產廠家图兑，總產量占到全球的80%左右核看。國內上市企業(yè)中僅有火炬電子能夠量產第三代碳化硅纖維，其CASAS-300特種陶瓷材料含氧量則完全達到了第三代的標準蔫卦。

陶瓷基復合材料

什么是陶瓷基復合材料券豺？它是一種以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料。陶瓷基體可為氮化硅桨座、碳化硅等高溫結構陶瓷读黑。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度破讨、相對重量較輕旨巷、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而致命的弱點是具有脆性添忘，處于應力狀態(tài)時采呐，會產生裂紋，甚至斷裂導致材料失效搁骑。而采用高強度斧吐、高彈性的纖維與基體復合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法仲器。纖維能阻止裂紋的擴展煤率，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強陶瓷基復合材料。

陶瓷基復合材料已用作液體火箭發(fā)動機噴管乏冀、導彈天線罩蝶糯、航天飛機鼻錐、飛機剎車盤和高檔汽車剎車盤等辆沦，成為高技術新材料的一個重要分支昼捍。

由于陶瓷材料具備優(yōu)良的耐磨性，并且硬度高丛滋、耐蝕性好央匀，因此獲得了非常廣泛應用。但是技窝，陶瓷的最大缺點是脆性大试著，對裂紋、氣孔等很敏感叙冕。20世紀80年代以來橱柒，通過在陶瓷材料中加入顆粒、晶須及纖維等得到的陶瓷基復合材料鹉某，讓陶瓷的韌性大大提高主靡。

陶瓷基復合材料具有高強度、高模量仲峡、低密度聂袱、耐高溫、耐磨耐蝕和良好的韌性酵逾，已用于高速切削工具和內燃機部件上欠捶。但這類材料發(fā)展較晚，其潛能尚待進一步發(fā)揮尝盼。研究重點是將其應用于高溫材料和耐磨吞滞、耐蝕材料，比如大功率內燃機的增強渦輪盾沫、航空航天器的熱部件以及代替金屬制造車輛發(fā)動機裁赠、石油化工容器、廢物垃圾焚燒處理設備等赴精。

說到陶瓷佩捞，人們很自然想到它的特點就是脆性绞幌。十幾年前，如果把它用于工程領域的承力件一忱，是任何人都不可能接受的莲蜘，直到現在說到陶瓷復合材料，可能有些人不清楚帘营，認為陶瓷和金屬原本就是兩種不相關的基本材料票渠，但是自從人們巧妙地將陶瓷和金屬結合后，才使人們對這種材料的概念發(fā)生了根本的變化芬迄，這就是陶瓷基復合材料裙闪。

陶瓷基復合材料在航空工業(yè)領域是一種十分有發(fā)展前途的新型結構材料，尤其是在航空發(fā)動機制造應用中瘤贷，越來越顯示出它的獨到之處俯够。陶瓷基復合材料除了具有重量輕，硬度高的優(yōu)點以外灼鞋，還具有優(yōu)異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能桨拉。目前陶瓷基復合材料在承受高溫方面已經超過了金屬耐熱材料，并具有很好的力學性能和化學穩(wěn)定性孙悦，是高性能渦輪發(fā)動機高溫區(qū)理想的極好材料涎捆。

全球各國針對下一代先進發(fā)動機對材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增強陶瓷材料疤巩，并取得了很大的進展灯葡，尤其應用在現代航空發(fā)動機中。比如美國驗證機的F120型發(fā)動機狮屏，它的高壓渦輪密封裝置结阅，燃燒室的部分高溫零件，均采用了陶瓷材料瞎嬉。再比如法國的M88-2型發(fā)動機的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復合材料蝎毡。

碳/碳復合材料

什么是碳/碳復合材料？ 它是碳纖維及其織物增強的碳基體復合材料氧枣。具有低密度(<2.0g/cm3)沐兵、高強度、高比模量便监、高導熱性扎谎、低膨脹系數、摩擦性能好烧董，以及抗熱沖擊性能好毁靶、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點，尤其是在1650℃以上應用的少數備選材料，最高理論溫度更高達2600℃预吆，因此被認為是全球最有發(fā)展前途的高溫材料之一龙填。

雖然碳/碳復合材料有很多十分優(yōu)良的高溫性能, 但它在溫度高于400℃的有氧環(huán)境中發(fā)生氧化反應，從而導致材料的性能急劇下降拐叉。所以觅够，碳/碳復合材料在高溫有氧環(huán)境下的應用必須有氧化防護措施。碳/碳復合材料的氧化防護主要通過以下兩種途徑扳辆，即在較低的溫度下可以采取基體改性和表面活性點的鈍化對碳/碳復合材料進行保護;隨著溫度的升高，則必須采用涂層的方法來隔絕碳/碳復合材料與氧的直接接觸爹蒋，以達到氧化防護的目的雷镀。當前使用最多的是涂層的方法，隨著科技不斷進步遵非，對碳/碳復合材料超高溫性能的依賴越來越多兆剃，而在超高溫條件下唯一可行的氧化防護方案只能是涂層防護。

值得一提的是华媳，C/C基復合材料是近一些年來全球最受重視的一種更耐高溫的新材料被核。因為只有C/C復合材料是被認為唯一可做為推重比20以上，發(fā)動機進口溫度可達1930-2227℃渦輪轉子葉片的后繼材料娇紊，曾經是美國21世紀重點發(fā)展的耐高溫材料勃提，尤其是全球先進工業(yè)國家拼力追求的最高戰(zhàn)略目標。

所謂C/C基復合材料触茎，就是碳纖維增強碳基本復合材料凹尺，它把碳的耐熔性與碳纖維的高強度及高剛性結合于一體，使其呈現出非脆性破壞希俩。由于C/C基復合材料具有重量輕吊宋、高強度，優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和極好的熱傳導性颜武，因此璃搜，是當今最理想的耐高溫材料，特別是在 1000-1300℃的高溫環(huán)境下鳞上，它的強度不僅沒有下降这吻，反而能夠提高。特別是在1650℃以下時仍然還保持著室溫環(huán)境下的強度和風度因块。因此C/C基復合材料在宇航制造業(yè)中具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

值得一提的是橘原， C/C基復合材料在航空發(fā)動機應用的一個主要問題是抗氧化性能較差，所以涡上，近幾年美國通過采取一系列的工藝措施趾断，讓這一問題獲得解決，并且逐步應用在新型發(fā)動機上。比如美國的F119發(fā)動機上的加力燃燒室的尾噴管芋酌，F100發(fā)動機的噴嘴及燃燒室噴管增显，F120驗證機燃燒室的部分零件都已經采用了C/C基復合材料制造。再比如法國的M88-2發(fā)動機菜臣，幻影2000型發(fā)動機的加力燃燒室噴油桿伊丘、隔熱屏、噴管等也都采用了C/C基復合材料萄天。

（無機非金屬材料科學）

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