《超高温陶瓷材料》专题——碳化硅陶瓷基复合材料基体和涂层改性研究进展

来源：中国硅酸盐学会

刘巧沐 1，许建锋2，刘  佳 3

(1. 中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500；2. 西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司，西安 710089； 3. 西安科技大学材料科学与工程学院，西安 710054)

摘  要：随着航空航天器性能的提高，其热端部件如航空发动机、高超音速飞行器的头锥及翼前缘等服役环境愈加苛刻。为了满足更苛刻的服役环境，需要对碳化硅陶瓷基复合材料(SiC matrix ceramic composites，CMC–SiC)进行基体或涂层改性以发展更长寿命、更耐高温和结构功能一体化的陶瓷基复合材料。介绍了航空航天器热端部件用 CMC–SiC 复合材料基体和涂层改性的研究进展、成果、现状及存在的问题，指出了今后需要着重解决改性 CMC–SiC 复合材料的工程化应用问题、发展具有更高使用温度的改性材料体系以及发展在发动机环境中应用的环境屏障涂层体系。

关键词：碳化硅陶瓷基复合材料；高超音速飞行器；航空发动机；改性

中图分类号：TB332    文献标志码：A   

文章编号：0454–5648(2018)12–1700–07

网络出版时间：2018–10–25

收稿日期：2017–12–09。   

修订日期：2018–04–22。

第一作者：刘巧沐(1984—)，男，博士，高级工程师。

前言

     为了满足新型航空航天器热端部件如高超音速飞行器头锥、翼前缘及航空发动机等愈加苛刻的服役环境，需要发展更长寿命、耐更高温度和结构功能一体化的超高温陶瓷基复合材料。目前，世界范围内研究多、应用成功和广泛的便是碳化硅陶瓷基复合材料(SiC matrix ceramic composites， CMC–SiC)。但是，在 1 650 ℃以上，SiC 氧化产物SiO2 的抗氧化保护作用被严重削弱。因此，一般认为CMC–SiC无法在高于1 700 ℃的氧化环境中长时 间使用。为了满足新型航空航天器更苛刻的服役环境，可对CMC–SiC复合材料的纤维、界面、基体和涂层进行抗烧蚀或抗氧化改性。如改善纤维自愈合能力或通过混编纤维减小纤维与基体的热膨胀系数 (Coefficient of thermal expansion，CTE)失配、采用多元多层自愈合强韧化界面、选用多元多层或多元弥散自愈合基体或涂层、选用难熔金属碳化物或硼化物基体或涂层进行抗烧蚀和抗氧化改性等都可以在高温氧化环境中延长寿命或提高使用温度。

       在工程应用中，可同时对纤维、界面、基体和涂层进行自愈合改性，即在每个结构单元层层设防，在第一时间第一现场实现对腐蚀性介质的自愈合防御，形成环环相扣的多级自愈合防御体系，进一步提高材料的自愈合能力，从而实现全方位、长时间自愈合[1–4]。针对航空航天器对耐高温、抗氧化及抗烧蚀材料的需求，综述了CMC–SiC 复合材料基体和涂层改性的研究进展及存在的问题，并指出了今后潜在的发展方向。

结论

先进高超音速飞行器及航空发动机性能的提高越发依赖于先进材料、工艺及相关结构的应用。传统金属材料因减重和耐温空间有限，难满足高推重比发动机对高温部件的需求，急需发展 CMC–SiC 复合材料等革命性新型耐高温结构材料，而随着飞行器速度及航空发动机推重比的提高，必须对 CMC–SiC 复合材料进行基体或涂层抗氧化、抗烧蚀改性才能满足更苛刻的服役环境。

1) CMC–SiC 及其改性复合材料在国外高超音速飞行器及航空发动机上已实现应用，国内相应研究尚处于起步阶段，技术成熟度低，还需在改性材料体系、制备及修复工艺、考核评估等方面加强研究。

2) CMC–SiC 及其改性复合材料在 1 300 ℃基本满足长时使用需求，但在 1 300 ℃以上，效果欠佳，亟需重点研发更耐高温的改性体系，提高其使用温度。

3) 高超音速飞行器及航空发动机服役环境恶劣(氧气、水蒸汽、熔盐及复杂应力耦合)，会严重影响 CMC–SiC 及其改性复合材料表面稳定性，需突破环境屏障涂层制备和验证技术。

文中部分图表