一文盘点​陶瓷基复合材料在燃气涡轮发动机中的典型性应用

陶瓷基复合材料（ceramic matrix composites，CMC）具有优异的物理性能和热性能，因此，逐渐成为金属合金的轻量化替代品。目前，它们是高温领域应用的有前途的候选材料，包括用于发动机内部部件。

本文主要探讨了陶瓷基复合材料在高温燃气轮机发动机中的代表性应用。

复合材料通常由两部分组成，一种是提供机械强度的增强材料，另一种是保持所有部件完整的基体材料。在陶瓷基复合材料中，基体由陶瓷组成，而增强材料通常使用纤维材料。

常用的增强纤维材料包括碳纤维（CF）、碳化硅（SiC）、氧化铝（Al₂O₃）和氧化铝——二氧化硅（Al₂O3-SiO₂）。增强纤维的形式也多样化，如传统的连续纤维、短纤维、晶须、颗粒和纳米纤维。与传统陶瓷类似，这些纤维具有多晶结构。

增强纤维经常被编织成织物，并集成到陶瓷基复合材料中。尽管陶瓷基复合材料中使用的基体材料与纤维材料相同，但它们有时会与非氧化物超高温（UHT）材料相结合。

与传统的陶瓷和金属合金相比，陶瓷基复合材料有着显著的不同，并在各种应用中提供了优异的性能，包括耐高温、轻质、更高的断裂韧性和抗热震性。

陶瓷基复合材料即使在非常高的温度下也能保持高的机械强度，陶瓷基复合材料也表现出优异的刚度和稳定性。与传统陶瓷材料不同，由于增强纤维的应用，陶瓷基复合材料能够抵抗断裂和裂纹扩展。

燃气涡轮机是一种从燃料中提取化学能并将其转化为机械能的内燃机。空气经常被用作工作流体。燃气涡轮机主要有四种类型：

涡轮喷气发动机：在这种发动机中，空气以高速运动并为燃烧室的入口和点火提供燃料。涡轮机使空气膨胀并加速排气。这种类型的燃气轮机用于军用飞机、商用航空、超音速飞机等。

涡轮螺旋桨发动机：该发动机通过齿轮系统与螺旋桨相连。涡轮喷气发动机使连接到变速箱的轴旋转，从而减缓旋转过程，并将移动最慢的齿轮连接到变速器机构。空气推进器通过旋转产生推力。这种类型用于支线和通勤飞机、货运飞机和军用飞机。

涡轮风扇发动机：这些发动机与涡轮喷气发动机的前部连接，通过管道风扇提供额外的推力，帮助发动机冷却，减少发动机的噪音输出。它们通常应用于商用飞机、支线飞机、货机和军用飞机、公务机。

涡轮轴发动机：这些发动机有一个大轴连接到它们的背部。这种类型的发动机使用大部分动力来旋转涡轮机。这些发动机用于直升机、无人机、海洋应用和农业飞机。

连续纤维增强陶瓷基复合材料降低了损伤的敏感性，因此常被用于燃气轮机发动机。两类陶瓷基复合材料在高温应用中非常有用：氧化物/氧化物复合材料（氧化物纤维-氧化物基复合材料）和SiC/SiC复合材料（碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料）。

由于高温氧化物纤维的热导率低和热膨胀系数高，氧化物/氧化物复合材料仅限于1100°C的高温应用。此外，氧化物/氧化物复合材料的抗热震性较差，这是燃气轮机热段的关键要求，限制了其应用。因此，具有耐高温性和更好的抗热震性的SiC/SiC复合材料正被广泛用于高温应用。

总的来说，陶瓷基复合材料具有显著的性能，如耐高温和轻量化，这使其成为燃气轮机发动机的理想候选材料。根据近年来的研究，陶瓷基复合材料已被应用于发动机的关键部件，如涡轮叶片和燃烧衬板。它们的优点包括更高的燃烧温度和更低的冷却要求，从而提高了发动机的性能和效率。

陶瓷基复合材料基本上解决了传统材料（如金属合金）的局限性，为满足现代燃气轮机技术的苛刻要求提供了一个很有希望的解决方案。