航空航天用热结构材料

    在高的工作温度、强气流的冲刷腐蚀和高应力的振动载荷等恶劣环境下，C/SiC 被认为是较为理想的航空航天用热结构材料之一。此外，C/SiC 复合材料在战略导弹和多用途导弹的喷管（图9），以及航天飞机热防护系统及固体火箭发动机导流管等领域具有广阔的应用前景[4]。

    图9 多用途导弹的喷管

    在航空发动机上的应用

    航空航天技术的需求对于陶瓷基复合材料的发展起着决定性作用。欧洲动力协会（SEP）、法国Bordeaux 大学、德国的Karslure 大学、美国橡树岭国家实验室早在20 世纪70 年代便率先开展了C/SiC 复合材料的研究工作。用C/SiC 复合材料制作的喷嘴已用于幻影2000 战斗机的M55 发动机（图10）和狂风战斗机的M88 航空发动机上，法国“海尔梅斯”号航天飞机的鼻锥帽等也采用了这种材料[4]。国内对C/SiC 复合材料的研究起步较晚，近年来，在西北工业大学、国防科技大学和航空工业总公司43所等单位的共同努力下，C/SiC 的制备技术和性能等方面都取得了长足进步，与世界先进水平的差距在逐步缩小，并有多种航空航天用C/SiC构件通过了地面试车考核。

    航天飞行器

    航天飞行器再入大气过程中，由于强烈的气动加热，飞行器的头锥和机翼前缘的温度高达1650℃，热防护系统是航天飞行器的4 大关键技术之一。第一代热防护系统的设计是采用放热-结构分开的思想，即冷却结构外部加放热系统。C/SiC 复合材料的发展，使飞行器的承载结构和放热一体化。尤其是哥伦比亚号热防护系统失效造成的机毁人亡事件后，使C/SiC陶瓷基复合材料更受关注。在热结构材料的构件中包括航天飞机和导弹的鼻锥、导翼、机翼和盖板等。

    卫星反射镜用材料

    卫星反射镜材料的性能要求是密度低、比刚度大、热膨胀系数CTE低、高导热性以及适当的强度和硬度、可设计性等。玻璃反射镜和金属反射镜加工成大型轻型反射镜都有一定的局限性。因此，国内外都正在研究C/SiC复合材料反射镜，该复合材料密度较低，刚度高，在低温下热膨胀系数小及导热性能良好，热性能和力学性能都比较理想，而且可以得到极好的表面抛光，是一种十分理想的卫星反射镜基座材料。C/SiC复合材料作为反射镜材料的研究在国外已经进行了20 多年，技术比较成熟，如美国、俄罗斯、德国、加拿大等利用碳纤维增强碳化硅复合材料（Cf /SiC）制备出高性能反射镜。最具代表性的是德国Donier 卫星系统公司采用LSI方法制备的C/SiC 复合材料反射镜作为空间望远镜主镜（图11），直630mm，质量仅为4kg ，最大可制作3m的大型反射镜，可望用作美国下一代空间望远镜（NGST）用反射镜[5]。

    图11 C/SiC 复合材料反射镜

    其它特殊领域

    C/SiC 陶瓷基复合材料除上述应用外，还应用在核聚变第一壁、液体火箭发动机、导弹端头帽及卫星窗框上。如西北工业大学研制的液体火箭发动机C/SiC 复合材料系列喷管成功通过试车考核。另外，Cf /SiC热结构材料的机械连接技术近年来已经取得了相当程度的进展，主要应用于连接固定热的外表面和航空框架结构中冷的衬垫，及用作密封装置[5]。

    碳基体系

    C/C复合材料的应用

    世界各国均把C/C 复合材料用作导弹及先进飞行器高温区的主要热结构材料，随着材料性能的不断改进，其应用领域逐渐拓宽[6-7]。

    先进飞行器上的应用

    导弹、载人飞船、航天飞机等，在再入环境时飞行器头部受到强激波，对头部产生很大的压力，其最苛刻部位温度可达2760 ℃，所以必须选择能够承受再入环境苛刻条件的材料。设计合理的鼻锥外形和选材，能使实际流入飞行器的能量仅为整个热量1%～10%左右。

    对导弹的端头帽，也要求防热材料在再入环境中烧蚀量低，且烧蚀均匀对称，同时希望它具有吸波能力、抗核爆辐射性能和在全天候使用的性能。三维编织的C/C复合材料，其石墨化后的热导性足以满足弹头再入时由-160℃至气动加热时1700℃时的热冲击要求，可以预防弹头鼻锥的热应力过大引起的整体破坏；其低密度可提高导弹弹头射程，已在很多战略导弹弹头上得到应用。除了导弹的再入鼻锥，C/C 复合材料还可作热防护材料用于航天飞机（表1）。

    表1 C/C复合材料在航天飞机上的应用

    固体火箭发动机喷管上的应用

    C/C 复合材料自上世纪70 年代首次作为固体火箭发动机（SRM）喉衬飞行成功以来，极大地推动了SRM 喷管材料的发展。喉衬部一般采用多维编织的高密度沥青基C/C复合材料，增强体多为整体针刺碳毡、多向编织等，并在表面涂覆SiC 以提高抗氧化性和抗冲蚀能力。美国在此方面的应用有：①“民兵-Ⅲ”导弹发动机第三级的喷管喉衬材料；②“北极星”A-7 发动机喷管的收敛段；③MX 导弹第三级发动机的可延伸出口锥（三维编织薄壁C/C复合材料制品）。俄罗斯用在潜地导弹发动机的喷管延伸锥（三维编织薄壁C/C 复合材料制品）。

    表2 C/C复合材料在战略导弹上的应用

    刹车领域的应用

    C/C复合材料刹车盘的实验性研究于上世纪1973 年第一次用于飞机刹车。目前，一半以上的C/C复合材料用作飞机刹车装置。高性能刹车材料要求高比热容、高熔点以及高温下的强度，C/C复合材料正好适应了这一要求，制作的飞机刹车盘重量轻、耐温高、比热容比钢高2.5 倍；同金属刹车相比，可节省40%的结构重量。碳刹车盘的使用寿命是金属基的5～7倍，刹车力矩平稳，刹车时噪声小，因此碳刹车盘的问世被认为是刹车材料发展史上的一次重大的技术进步。

    目前法国欧洲动力、碳工业等公司已批量生产C/C复合材料刹车片，英国邓禄普公司也已大量生产C/C复合材料刹车片，用于赛车、火车和战斗机的刹车材料（图12）。

    图12 C/C复合材料刹车片

    C/C复合材料用作高温结构材料

    由于C/C 复合材料的高温力学性能， 使之有可能成为工作温度1500~1700℃的航空发动机的理想材料， 有着潜在的发展前景。

    涡轮发动机

    C/C 复合材料在涡轮机及燃气系统（已成功地用于燃烧室、导管、阀门）中的静止件和转动件方面有着潜在的应用前景， 例如用于叶片和活塞， 可明显减轻重量， 提高燃烧室的温度， 大幅度提高热效率。

    内燃发动机

    C/C 复合材料因其密度低、优异的摩擦性能、热膨胀率低， 从而有利于控制活塞与汽缸之间的空隙，目前正在研究开发用其制活塞。

    发热元件

    与石墨发热体强度低脆， 加工运输困难相比， C/C复合材料强度高， 韧性好， 耐高温， 可减少发热体体积， 扩大工作区。

    生物学上的应用

    碳材料是目前生物相容性最好的材料之一。在骨修复上， 碳/碳复合材料能控制孔隙的形态， 这是很重要的特性， 因为多孔结构经处理后， 可使天然骨骼融入材料之中。故C/C 复合材料是一种极有潜力的新型生物医用材料， 在人体骨修复与骨替代方面有较好的应用前景。目前C/C 复合材料在临床上已有骨盘骨夹板和骨针的应用；人工心脏瓣膜中耳修复材料也有研究报道；人工齿根已取得了很好的临床应用效果。

    我国陶瓷基复合材料发展需要解决的问题及建议

    国内主要开展相关研究的单位主要包括中航复材、西北工业大学、国防科大等单位。由于我国陶瓷基复合材料的研究起步较晚，与美国、法国等西方先进国家尚存在较大差距。要实现陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件上的应用，亟需解决以下问题[2]：

    （1）建立基于陶瓷基复合材料的设计准则。

    陶瓷基复合材料结构与高温合金具有本质的区别，因此不能简单套用前期高温合金构件设计的原理和模型，因此需要针对纤维预制体、基体、界面和表面等众多组成单元开展多层次、多尺度的结构设计研究，建立基于陶瓷基复合材料本征结构和功能的设计准则。

    （2）加强陶瓷基复合材料本征结构与失效机理研究，建立寿命预测模型。

    材料损伤失效是陶瓷基复合材料在航空发动机热端部位应用研究的重要内容，材料损伤失效意味着其功能不能达到材料本征性能或者设计值，严重时会引起构件及发动机失效等严重后果。因此必须基于陶瓷基复合材料的特点及服役环境，研究损伤和失效机制，进而对陶瓷基复合材料寿命进行评估和预测。

    （3）突破陶瓷基复合材料全产业链中的关键技术。

    陶瓷基复合材料结构件的研发，涉及到纤维等原材料研发、预制体编织、基体致密化、材料的精确加工与装配、环境屏障涂层制备、无损检测及考核验证等多个环节，各环节的关键技术均取得突破才能推动整个行业的进一步发展。

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