現(xiàn)代商用飛機(jī)“飛得更高、更快和更安靜”的需求，對發(fā)動機(jī)的動力和效率提出了新的要求。為了提高航空發(fā)動機(jī)的推重比和降低燃料消耗，除了進(jìn)行先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以外，還必須采用先進(jìn)復(fù)合材料。除了目前在航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片和機(jī)匣上等部位采用的樹脂基復(fù)合材料之外，陶瓷基復(fù)合材料（CeramicMatrix Composite，簡稱CMC ）也在航空發(fā)動機(jī)上具有較大的應(yīng)用前景。

　　CMC是由高性能纖維和陶瓷基體組成，陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。CMC具有密度低、硬度高、熱穩(wěn)定性能優(yōu)異及化學(xué)耐受性強(qiáng)等突出特點(diǎn)，其密度僅為高溫合金的1/3，強(qiáng)度為其2倍，能夠承受1000°～1500℃的高溫（比高溫合金高200～240℃），且結(jié)構(gòu)耐久性更好。同時，CMC固有的斷裂韌性和損傷容限高，適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)熱端部件，并能在較高的渦輪進(jìn)口溫度和較少的冷卻空氣（大于1300℃）下運(yùn)行，發(fā)動機(jī)效率和耗油率明顯改善。同時可大幅降低冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻介質(zhì)，甚至可取消冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而有效提升發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性和使用壽命。目前在航空發(fā)動機(jī)中應(yīng)用的鎳基高溫合金可用CMC來替代，其能夠承受2700℉的高溫，且不需要環(huán)境障涂層這種特殊設(shè)計(jì)的陶瓷涂層。

　　陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)方面潛在的應(yīng)用主要有發(fā)動機(jī)燃燒室及內(nèi)襯，渦輪外環(huán)、渦輪轉(zhuǎn)子葉片、導(dǎo)向葉片、噴管魚鱗片、加力燃燒室等。其中，CMC高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的研制，代表了當(dāng)前CMC技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的最高水平，是“發(fā)動機(jī)高溫結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)制高點(diǎn)”。

　　國外在陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)上的研究時間較長，成果較多。美、俄、英投入巨大人力物力，力爭占領(lǐng)以SiC/SiC復(fù)合材料為代表的先進(jìn)武器裝備材料技術(shù)制高點(diǎn)。如美國航空航天局（NASA）在“超高效發(fā)動機(jī)技術(shù)”（UEET）項(xiàng)目下，開發(fā)CMC發(fā)動機(jī)熱端結(jié)構(gòu)，能承受渦輪進(jìn)口溫度1649℃，冷卻需求量比同類高溫合金部件減少15%～25%。因此，發(fā)動機(jī)制造商高度重視CMC技術(shù)開發(fā)，努力將該材料引入過渡件、燃燒室內(nèi)襯、噴管導(dǎo)向葉片甚至渦輪轉(zhuǎn)子件等熱端部件。

　　CFM公司在LEAP-1A民用渦扇發(fā)動機(jī)上配裝了陶瓷基復(fù)合材料制備的高壓渦輪罩環(huán)，裝配該發(fā)動機(jī)的空客A320neo飛機(jī)已于2015年5月19日成功完成了首飛，表明CMC在航空發(fā)動機(jī)熱端部件應(yīng)用取得了新突破。作為CFM公司的50%投資方，美國通用電氣公司（GE）自2015年以來還在F414軍用渦扇發(fā)動機(jī)上，驗(yàn)證了CMC低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的耐高溫和耐久性能，并在GEnx民用渦扇發(fā)動機(jī)的高壓渦輪葉片和燃燒室上開展了一系列試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了CMC在發(fā)動機(jī)熱端部件的應(yīng)用潛力，彰顯了CMC在未來軍民用航空發(fā)動機(jī)的廣泛應(yīng)用前景。

　　我國在連續(xù)纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料研究方面起步相對較晚。近年來通過國家項(xiàng)目的支持，目前國內(nèi)相關(guān)高校和研究單位在航空發(fā)動機(jī)用連續(xù)纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料和構(gòu)件制造技術(shù)方面已取得可喜的技術(shù)突破，形成了較為完備的CVI和PIP工程化制造技術(shù)體系。

　　北京航空制造工程研究所采用聚合物浸漬裂解法(PIP)成功制備出適用于航空發(fā)動機(jī)高溫部件的Cf／SiC復(fù)合材料，其密度為1.839／cm3。在發(fā)動機(jī)典型工作溫度1200℃條件下，通過本工藝制備Cf／SiC材料的彎曲強(qiáng)度高達(dá)712MPa，略高于材料的室溫彎曲強(qiáng)度(641MPa)。

　　目前國內(nèi)已經(jīng)突破第二代SiC纖維和SiC/SiC復(fù)合材料研制關(guān)鍵技術(shù)，具備了構(gòu)件研制和小批量生產(chǎn)能力，但在工程產(chǎn)業(yè)化方面與西方發(fā)達(dá)國家尚存在明顯差距。根據(jù)西北工業(yè)大學(xué)張立同院士2003年1月發(fā)表在《航空制造技術(shù)》上的《新型碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展》，“我國高推重比航空發(fā)動機(jī)的研制對陶瓷基復(fù)合材料也提出了需求，CMC-SiC燃燒室浮壁模擬件和尾噴管調(diào)節(jié)片構(gòu)件已分別在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺和發(fā)動機(jī)上成功地進(jìn)行了初步驗(yàn)證”。

    根據(jù)《中國航天報(bào)》2014年5月的報(bào)道，中國航天科技集團(tuán)公司六院11所研制生產(chǎn)的陶瓷基復(fù)合材料噴管首次參加地面試車，順利通過了發(fā)動機(jī)方案驗(yàn)證。

     根據(jù)中國商用航空發(fā)動機(jī)公司研究員2014年發(fā)表在《航空制造技術(shù)》的《商用航空發(fā)動機(jī)陶瓷基復(fù)合材料部件的研發(fā)應(yīng)用及展望》，我國商用航空發(fā)動機(jī)處在追趕先進(jìn)的研制階段，不遠(yuǎn)的將來，也將推出裝配具有自主知識產(chǎn)權(quán)CMC部件的國產(chǎn)長江系列商用航空發(fā)動機(jī)。

     由此可見，我國航空航天發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)對SiC陶瓷基復(fù)合材料的研制正在穩(wěn)步推進(jìn)。SiC陶瓷基復(fù)合材料與SiC纖維應(yīng)用前景值得期待。

　　作者簡介：王新筑：重慶大學(xué)航空航天學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，英國利物浦大學(xué)訪問學(xué)者，博士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所。