航空方面，作為飛機(jī)“心臟”的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其使用工況十分復(fù)雜，且對(duì)使用壽命的要求極高；與飛機(jī)比較，關(guān)鍵熱端部項(xiàng)材料的使用溫度更高，通常達(dá)到1000℃以上；與航天比較，材料的使用壽命需更長(zhǎng)，一般要求達(dá)到3000h以上。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的材料體系，需要能夠同時(shí)滿足高溫、長(zhǎng)壽命的使用要求，是非常有限的。然而逐漸發(fā)展成熟的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CMC-SiC)已成為航空航天熱端部件的一種理想候選材料。

碳化物陶瓷材料及其發(fā)展現(xiàn)狀

CMC-SiC指碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅(SiC/SiC)和碳纖維增強(qiáng)碳化硅(C/SiC)。CMC-SiC是一種輕質(zhì)、耐高溫、冷卻少甚至無(wú)需冷卻的新型復(fù)合材料，是目前國(guó)際公認(rèn)的最具發(fā)展?jié)摿Φ陌l(fā)動(dòng)機(jī)熱端部項(xiàng)材料之一，即保留了纖維耐高溫、高強(qiáng)、高模、耐腐蝕、抗蠕變、材料熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了陶瓷材料抗沖擊性能差、斷裂韌性低的缺陷，在航空航天和核聚變領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

目前，C/SiC和SiC/SiC材料已引起美國(guó)、日本、德國(guó)、法國(guó)等航空發(fā)達(dá)國(guó)家的普遍關(guān)注，歷經(jīng)二十多年目前仍在繼續(xù)研究。在制備工藝方面，主要的制備工藝有熱壓燒結(jié)法(HPS),反應(yīng)燒結(jié)法(BB)、漿料浸滲/熱解法(SIFIP)、反應(yīng)熔體滲透法(RMD)、先驅(qū)體浸漬熱解法(PIP)和化學(xué)氣相滲透法(CVI)以及PIP-HP法、CVI-RMI法和CVI-PIP法等。

美國(guó)以CVI,PIP技術(shù)為主，制備水平較高；日本擁有世界領(lǐng)先的連續(xù)碳化硅纖維制備技術(shù)，制備碳化硅復(fù)相陶瓷以PIP法為主，SiC/SiC的研究制備水平較高；德國(guó)以RMI和PIP技術(shù)為主，RMI技術(shù)世界領(lǐng)先;法國(guó)的CVI技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位；我國(guó)以CVI,PIP,RMI技術(shù)為主，材料性能已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

CMC調(diào)節(jié)片和密封片

有研究結(jié)果表明，CMC-SiC可使中溫中等載荷靜止項(xiàng)(內(nèi)錐體、密封片/調(diào)節(jié)片等)減重50%以上，并顯著提高其使用壽命，總的來(lái)說(shuō)，目前，中溫中等載荷靜止項(xiàng)(內(nèi)錐體、密封片/調(diào)節(jié)片等)已完成全壽命驗(yàn)證并進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用和批量生產(chǎn)階段；高溫中等載荷靜止項(xiàng)(導(dǎo)向葉片、渦輪外環(huán)、火焰穩(wěn)定器、火焰筒等)正進(jìn)行全壽命驗(yàn)證，有望進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段；而高溫高載荷轉(zhuǎn)動(dòng)項(xiàng)(渦輪葉片、轉(zhuǎn)子等)尚處于探索研究階段，使用壽命與應(yīng)用要求相距甚遠(yuǎn)；而我國(guó)在應(yīng)用方面的研究尚處于起步階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。

碳化物陶瓷材料在航空航天中的應(yīng)用

① 航空航天用熱結(jié)構(gòu)材料

在高的工作溫度、強(qiáng)氣流的沖刷腐蝕和高應(yīng)力的振動(dòng)載荷等惡劣環(huán)境下，C/SiC被認(rèn)為是較為理想的航空航天用熱結(jié)構(gòu)材料之一，作為熱結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用包括航天飛機(jī)和導(dǎo)彈的鼻錐、導(dǎo)翼、機(jī)翼和蓋板等。此外，C/SiC復(fù)合材料在戰(zhàn)略導(dǎo)彈和多用途導(dǎo)彈的噴管，以及航天飛機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)及固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流管等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

② 航空發(fā)動(dòng)機(jī)

航空航天技術(shù)的需求對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展起著決定性作用。用C/SiC復(fù)合材料制作的噴嘴已用于幻影2000戰(zhàn)斗機(jī)的M55發(fā)動(dòng)機(jī)和狂風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)的M88航空發(fā)動(dòng)機(jī)。國(guó)內(nèi)對(duì)C/SiC復(fù)合材料的研究起步較晚，近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)多家單位的共同努力下，C/SiC的制備技術(shù)和性能等方面都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，與世界先進(jìn)水平的差距在逐步縮小。

CMC燃燒室部件

③ 航天飛行器

超聲速飛行器在入大氣過(guò)程中，由于強(qiáng)烈的氣動(dòng)加熱，飛行器的頭錐和機(jī)翼前緣的溫度高達(dá)1650℃，傳統(tǒng)的熱防護(hù)材料已經(jīng)不能滿足需求，超高溫材料成為新的研究熱點(diǎn)。碳化物超高溫陶瓷具有熔點(diǎn)高及抗熱震穩(wěn)定性好等良好的化學(xué)與力學(xué)穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)超高音速長(zhǎng)時(shí)飛行、大氣層再入、跨大氣層飛行與火箭推進(jìn)系統(tǒng)等極端環(huán)境，可以被應(yīng)用于機(jī)翼前緣、鼻錐、發(fā)動(dòng)機(jī)熱端等各種關(guān)鍵部項(xiàng)。作為應(yīng)用在航天飛行器上的重要材料，碳化物超高溫陶瓷材料得到各國(guó)的高度關(guān)注。

超音速飛行器

④ 高溫抗氧化燒蝕涂層

目前常見的碳化物超高溫陶瓷主要有碳化鋯(ZrC)，碳化鉭(TaC)和碳化鉿(HfC)，以及以其為基體的陶瓷基復(fù)合材料或復(fù)相材料。這三種物質(zhì)的熔點(diǎn)3000℃以上，具有優(yōu)良的熱化學(xué)穩(wěn)定性、物理性能，包括高彈性模量、高硬度、低飽和蒸汽壓、適中的熱膨脹率和良好抗熱震性能等，能在高溫下保持很高的強(qiáng)度。并且，以其作為高溫抗氧化燒蝕涂層技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也受到各個(gè)國(guó)家的普遍關(guān)注，它是一種外部涂層保護(hù)方法，保護(hù)原理是將制備各類涂層使材料與氧化燒蝕環(huán)境隔離開，阻止碳和氧發(fā)生反應(yīng)。

⑤ 衛(wèi)星反射鏡

Cf/SiC復(fù)合材料密度較低，剛度高，在低溫下熱膨脹系數(shù)小及導(dǎo)熱性能良好，熱性能和力學(xué)性能都比較理想，而且可以得到極好的表面拋光，是一種十分理想的衛(wèi)星反射鏡基座材料。Cf/SiC復(fù)合材料作為反射鏡材料的研究在國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了20多年，技術(shù)比較成熟，如美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、加拿大等利用碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料(Cf/SiC)制備出高性能反射鏡。

空間反射鏡

最具代表性的是德國(guó)Donier衛(wèi)星系統(tǒng)公司采用LSI方法制備的Cf/SiC復(fù)合材料反射鏡作為空間望遠(yuǎn)鏡主鏡，直630mm，質(zhì)量?jī)H為4kg，最大可制作3m的大型反射鏡，有望用作美國(guó)下一代空間望遠(yuǎn)鏡(NGST)反射鏡。

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