碳化硅陶瓷材料在航空航天中的应用

  由于碳化硅复合材料为非致密性材料,在基体中存在着一-定 数量的孔隙或微裂纹,使用环境下的水氧介质易通过裂纹和孔隙进人到界面和纤维部位,若采用碳纤维则容易氧化失效,严重影响使用寿命,因此航空发动机用碳化硅陶瓷基复合材料基本采用连续束丝碳化硅纤维进行增强/增韧。

  作为结构材料,尽管碳化硅陶瓷具有耐高温能力强、抗氧化能力强、抗高温蠕变性好线性膨胀系数小等优点,但是塑性低、不能承受剧烈的机械冲击和热冲击,严重影响了实际应用。为此,通过采用连续纤维进行增韧/增强,提高复合材料强度和韧性。碳化硅纤维与碳纤维相比,在1200℃下其拉伸强度和弹性模量均无明显下降,在高温下具有更好的稳定性,与碳化硅陶瓷基体的匹配性也更好,因此更适合用于制造长寿命、高可靠性的航空发动机的构件。

  由于陶瓷基复合材料与所连接的高温合金连接件之间的线膨胀系数差异很大,在发动机使用过程中,由于温度的变化在两种材料的界面处,会产生较大残余热应力,严重影响复合材料的承载能力。在发动机特殊工作状况下,与外载荷产生的应力相叠加所产生的拉应力可能接近甚至超过组元或纤维和基体界面的破坏应力,以致复合材料中产生微裂纹,甚至破坏。

  因此金属件与复合材料基体之间必须设计特殊的连接以保证两者的热膨胀相匹配,特别是在构件从低到高的使用温度范围内,其匹配程度决定了复合材料的使用寿命,理想的连接方式是在连接界面附近对复合材料基体中产生适度的压缩应力,这个预压缩应力使脆性较大的陶瓷基体在复合材料承受拉伸载荷时抵抗变形和开裂的能力增加,提高构件的抗疲劳寿命。目前对于复合材料与金属件的连接多采用铆接法,但是连接的可靠性还需要在发动机真实环境下进行长时间的试验考核。

  航空发动机燃烧室出口的燃气温度在1300℃以上,高温热端部件基本超出了碳化硅陶瓷基复合材料的长期使用温度,此外燃气中还有微量的硫化物和水蒸气,与碳化硅陶瓷基复合材料会发生化学反应,导致材料的稳定性发生恶化,材料的力学性能明显下降。因此,在研究碳化硅陶瓷基复合材料的同时必须解决高温抗氧化问题。

  国外相继开发了二代环境障涂层,国内相关研究单位也相继开展了环境障涂层材料、制备工艺等方面的研究,对环境障涂层的抗高温氧化、抗热冲击、抗水蒸汽性能及涂层的失效机理和涂层对基体力学性能的影响等进行了研究。目前存在的最大问题是最高使用温度受到限制,只能在1300℃以下安全使用,并且涂层寿命与发动机使用要求相比还有较大差距,应该加大力度研究。