【解析】碳化硅陶瓷基復(fù)合材料行業(yè)深度報告

我國從20世紀80年代開始，就有張立同院士領(lǐng)導(dǎo)的西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)團隊，以及中航工業(yè)復(fù)材中心、航天材料及工藝研究所、國防科大、中科院硅酸鹽研究所等單位先后跟蹤國際前沿啟動研發(fā)工作。我國研究SiC纖維的主要單位有國防科技大學(xué)、廈門大學(xué)等，并取得了卓有成效的成果；蘇州賽力菲陶纖有限公司是我國首家成功實現(xiàn)連續(xù)SiC纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)。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)達國家尚存在明顯差距。

1.SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料概述
1.1 SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料——航空發(fā)動機高溫合金首選替代材料

為了提高航空發(fā)動機的推重比和降低燃料消耗，最根本的措施是提高發(fā)動機的渦輪進口溫度。數(shù)據(jù)顯示航空發(fā)動機渦輪前溫度每提高100度，在發(fā)動機尺寸不變的條件下，推重比可以增加10%。

渦輪前溫度與航空發(fā)動機熱端部件材料的最高允許工作溫度直接相關(guān)。

50至60年代，發(fā)動機熱端部件材料主要是鑄造高溫合金，其使用溫度為800~900°C；70年代中期，定向凝固超合金開始推廣，其使用溫度提高到接近1000°C；進入80年代以后，相繼開發(fā)出了高溫單晶合金、彌散強化超合金以及金屬間化合物等，并且熱障涂層技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，使熱端部件的使用溫度提高到1200~1300°C，已接近這類合金熔點的80%。雖然通過各種冷卻技術(shù)可進一步提高渦輪進口溫度，但作為代價降低了熱效率，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和制造難度，而且對小而薄型的熱端部件難以進行冷卻，因而再提高的潛力極其有限。

陶瓷基復(fù)合材料正是人們預(yù)計在21世紀中可替代高溫合金的發(fā)動機熱端結(jié)構(gòu)首選材料。

陶瓷材料的耐高溫、低密度、高比強、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)異性能，使其具有替代金屬成為新一代高溫結(jié)構(gòu)材料的潛力。但陶瓷材料的脆性大和可靠性差等致命弱點阻礙了它的實用化。而連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料(CFRCMC，Continuous Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites，簡稱CMC)彌補了陶瓷材料的短板。

它基于陶瓷組分，采用高強度、高彈性纖維與成分相同或相近的陶瓷基體相互復(fù)合而成。由連續(xù)纖維補強增強陶瓷基體復(fù)合成材的混搭組合，類似于“鋼筋+混凝土”的優(yōu)勢互補，連續(xù)的陶瓷纖維根據(jù)需要，可編織成二維或三維的“鋼筋”骨架（即纖維預(yù)制體）、“混凝土”則為骨架周圍緊密填充的陶瓷基體材料“水泥”，形成“1+1>2”的效果，具備高比模、耐高溫、抗燒蝕、抗粒子沖蝕、抗氧化和低密度的優(yōu)勢。它可以具有類似金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感、沒有災(zāi)難性損毀。

連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料主要包括碳纖維增強碳化硅（C/SiC）和碳化硅纖維增強碳化硅（SiC/SiC）兩種。由于C/SiC抗氧化性能較SiC/SiC差，國內(nèi)外普遍認為，航空發(fā)動機熱端部件最終獲得應(yīng)用的是SiC/SiC。

1.2SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的性能特點
SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料是指在SiC陶瓷基體中引入SiC纖維作為增強材料，形成以引入的SiC增強纖維為分散相，以SiC陶瓷基體為連續(xù)相的復(fù)合材料。

SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料保留了SiC陶瓷耐高溫、高強度、抗氧化、耐腐蝕、耐沖擊的優(yōu)點，同時兼具SiC纖維增強增韌作用，克服了SiC陶瓷斷裂韌性低和抗外部沖擊載荷性能差的先天缺陷。這種材料可以在1316°C的高溫環(huán)境下保待其理化特性不退化。當(dāng)SiC/SiC材料表面噴有熱障涂層時，其最高工作溫度可繼續(xù)增加至1480°C。盡管現(xiàn)代商用發(fā)動機渦輪前溫度可達1650°C，額外的170°C溫差仍需采用壓氣機引氣冷卻來彌補，但這一引氣量相比使用傳統(tǒng)高溫合金材料的葉片已大為減少。據(jù)初步計算，采用耐溫1480°C的CMC材料高壓渦輪葉片可使發(fā)動機燃油消耗率降低6%。同時，采用CMC材料制成的燃燒室高溫襯墊所需的冷卻氣量也大幅減少，進而降低冷卻空氣同燃油摻混后不完全燃燒生成氮氧化物的機會，其氮氧化物的減排潛力可達33%。

2SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的應(yīng)用
2.1.SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的應(yīng)用趨勢
SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括發(fā)動機燃燒室內(nèi)襯、燃燒室筒、噴口導(dǎo)流葉片、機翼前緣、渦輪葉片和渦輪罩環(huán)等部位。
國外在碳化硅陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的研究與應(yīng)用方面，基于先易后難（先靜止件后轉(zhuǎn)動件，從低溫到高溫）的發(fā)展思路，首先發(fā)展中溫和中等載荷的靜止件，例如尾噴管調(diào)節(jié)片/密封片和內(nèi)椎體等；再發(fā)展高溫、中等載荷靜止件，例如火焰筒、火焰穩(wěn)定器及渦輪外環(huán)、導(dǎo)向葉片。更高載荷的靜止件或轉(zhuǎn)動件，例如渦輪轉(zhuǎn)子和渦輪葉片還處于探索階段。

2.2 國外SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料研制脈絡(luò)
20世紀80年代，法國率先研制出牌號為CERASEPR系列的SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料，并成功應(yīng)用于M88-2發(fā)動機（配套法國陣風(fēng)戰(zhàn)斗機）噴管外調(diào)節(jié)片和F100型發(fā)動機（配套美國F-15/F-16戰(zhàn)斗機）調(diào)節(jié)片上。

隨后各個國家持續(xù)加大對SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域投入，如美國NASA的HIPTET、HSR/EPM和UEET計劃，日本的AMG計劃等，SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料制造技術(shù)逐漸成熟，應(yīng)用范圍也日益廣泛。據(jù)報道，SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料目前已經(jīng)成功應(yīng)用于F110-GE-129發(fā)動機尾噴管、F136發(fā)動機渦輪葉片、F414發(fā)動機和CFM LEAPX發(fā)動機渦輪罩環(huán)等構(gòu)件。

CFM是GE和法國賽峰集團（SAFRAN）旗下斯奈克瑪公司（SNECMA）對半合資成立的公司，已向波音和空客提供了2.5萬余臺中型客機用噴氣發(fā)動機。其經(jīng)典之作CFM-56 是全球裝機最多的一款發(fā)動機產(chǎn)品，堪稱傳奇。

法國賽峰集團設(shè)計的陶瓷基復(fù)合材料(CMC)尾噴口在2015年6月16日搭載在CFM56-5B發(fā)動機上完成了首次商業(yè)飛行。賽峰通過旗下兩家公司Herakles和SNECMA設(shè)計、制造了該尾噴口驗證件并進行了地面試驗。在2012年于A320上執(zhí)行了初始試驗后，CMC尾噴口驗證件于2015年4月22日通過歐洲航空安全局(AESA)商業(yè)飛行使用認證。賽峰認為這項認證確認了其開發(fā)先進CMC零件的能力，能夠滿足日益增長的航空要求。
CFM公司針對單通道客機的新一代發(fā)動機LEAP-X預(yù)計于2016年投放市場，該發(fā)動機將配備由CMC材料制造而成的高壓渦輪導(dǎo)向葉片。這被業(yè)內(nèi)公認為商用發(fā)動機制造技術(shù)的又一次革新。

2.3 世界三大航空發(fā)動機巨頭對陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用研究
2.3.1 GE公司
21世紀初，GE公司引入CMC材料制造地面燃機的渦輪罩環(huán)，同時從靜子部件、開始擴展CMC在噴氣發(fā)動機上的應(yīng)用范圍。2016年投入使用的LEAP-1發(fā)動機的渦輪罩環(huán)由CMC材料制造，將實現(xiàn)CMC在商用航空發(fā)動機上的首次應(yīng)用。一旦GE9X發(fā)動機在2020年之后投入使用，將極大擴展CMC在商用發(fā)動機上的應(yīng)用范圍。該發(fā)動機的燃燒室火焰筒、第一級高壓渦輪噴管和罩環(huán)以及第二級高壓渦輪噴管都由CMC制造。2015年初，GE9X發(fā)動機的首個全套CMC零部件在一臺改造過的GEnx-1B發(fā)動機上開始試驗。2014年末，GE在一臺F414渦扇發(fā)動機平臺上驗證了由CMC制成的低壓渦輪葉片的耐溫性和耐久性，這是CMC材料在旋轉(zhuǎn)部件上的首次成功應(yīng)用。

2.3.2 羅·羅公司
羅·羅計劃將CMC引入其軍民用發(fā)動機產(chǎn)品線。其計劃內(nèi)容包括在Advance系列的較小型號發(fā)動機上使用帶有CMC內(nèi)襯的無罩環(huán)渦輪以及urtraFan概念里的CMC噴管。2015年前后，羅羅公司還與Orbital-ATK公司一道加入了波音公司的787環(huán)保演示驗證機項目，在美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）的Cleen項目指導(dǎo)下利用一臺Trent1000發(fā)動機測試陶瓷噴管。試驗結(jié)果顯示CMC材料系統(tǒng)的耐高溫性能超過了超合金，重量比鈦合金降低了20%，有效降低了燃油消耗。

羅·羅公司2015年收購了位于美國加州的專業(yè)CMC生產(chǎn)商Hyper-Therm公司，該公司與NASA合作開發(fā)了首先用于液體火箭推進系統(tǒng)的主動冷卻、連續(xù)纖維增強SiC基復(fù)合材料推力室。

2.3.3 普·惠公司
普·惠公司十分注重耐高溫陶瓷基復(fù)合材料在軍民用發(fā)動機熱端轉(zhuǎn)子部件上的應(yīng)用研究，而對CMC在熱端靜子部件上的應(yīng)用效果卻并不看好。一部分原因源于普·惠新發(fā)動機的低壓渦輪級數(shù)配置，另一部分原因則是普·惠更加偏愛現(xiàn)金合金材料的熱傳導(dǎo)性能。與其他廠商5~7級的低壓渦輪相比，普·惠發(fā)動機的低壓渦輪只有3級，因此普惠主要關(guān)注能夠承受2700°C以上高溫的CMC材料，并認為CMC應(yīng)用于轉(zhuǎn)子件上才能帶來最大收益。普·惠還打算在未來高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片上使用耐高溫能力更強的CMC材料，這也是CMC材料低密度特性的價值所在。

普·惠公司認為，除制造成本外，CMC在靜子件的應(yīng)用還面臨很多問題，其中一個問題就是熱傳導(dǎo)性。CMC的傳熱性相對較弱，而靜子部件的重量要求又沒有轉(zhuǎn)子部件那么苛刻，因此具有更強傳熱能力的合金材料可能比CMC更適合制造靜子部件。

3SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料制造工藝與加工工藝
3.1 SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料制造工藝
SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝主要包括聚合物浸漬裂解工藝（PIP, Polymer Infiltrationand Pyrolysis）、化學(xué)氣相滲透工藝（CVI, ChemicalVapor Infiltration）和反應(yīng)浸滲工藝（RI, Reaction Infiltration）等。日本和法國分別以PIP和CVI技術(shù)見長，德國在RMI技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)世界領(lǐng)先，美國以CVI和PIP技術(shù)為主。目前在SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料制造工藝領(lǐng)域領(lǐng)先的研究機構(gòu)主要有法國Boreleaux大學(xué)、美國Oak-Ridge國家實驗室和日本Osaka Prefecture大學(xué)等。

上世紀七十年代初期法國Bordeaux大學(xué)Naslian教授發(fā)明了CVl制造連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料 (簡稱CMC- SIC)的新方法，現(xiàn)已發(fā)展成為工程化技術(shù)，而后美國購買了法國專利。

3.2 SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料加工工藝
由于SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的硬度大，特別是材料由基體、纖維等多部分構(gòu)成，具有明顯的各向異性，加工后 SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的表面形貌、尺寸精度和位置精度等對構(gòu)件的安全性、可靠性和使用壽命等都有重要影響，已成為制約SiC/SiC 陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件工程化應(yīng)用的主要瓶頸之一。

SiC/SiC 陶瓷基復(fù)合材料的加工主要包括切邊、鉆孔、三維成型和微槽成型等內(nèi)容。加工工藝主要包括機械加工、水射流加工、激光加工3類。

4SiC纖維概述
4.1 SiC纖維生產(chǎn)工藝
SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料通常由SiC纖維、界面層、SiC陶瓷基體和熱防護涂層組成。

SiC纖維位于SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的上游，是整個產(chǎn)業(yè)鏈至關(guān)重要的一環(huán)。由于SiC纖維有著其它纖維無可替代的作用，發(fā)達國家紛紛投入大量資金致力于此類陶瓷纖維的研制與開發(fā)。目前世界上僅日本和美國能批量提供通用級和商品級的SiC纖維，已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)能達百噸級的僅有日本碳公司和日本宇部興產(chǎn)株式會社，典型產(chǎn)品牌號分別為Nicalon NL-200及Tyranno Lox M。

目前制備連續(xù)SiC纖維的方法主要有：先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法（3P, Preceramic Polymer Pyrolysis）、化學(xué)氣相沉積法（CVD ,Chemical Vapor Deposited）、活性碳纖維轉(zhuǎn)化法（CVR, Chemical Vapor Reaction）等。其中，化學(xué)氣相沉積法已逐漸被淘汰，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法是目前比較成熟且已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的方法，是SiC纖維制備研究的主流方向。

先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備SiC纖維，其工藝路線可分為聚碳硅烷（PCS）合成、熔融紡絲、不熔化處理和高溫?zé)��?大工序，即首先由二甲基二氯硅烷脫氯聚合為聚二甲基硅烷，再經(jīng)過高溫（450～500℃）熱分解、重排、縮聚轉(zhuǎn)化為聚碳硅烷；在250～350℃下，聚碳硅烷在多孔紡絲機上熔紡成連續(xù)聚碳硅烷纖維，再經(jīng)過空氣中約200 ℃的氧化交聯(lián)得到不熔化聚碳硅烷纖維，最后在高純氮氣保護下1000℃以上裂解得到SiC纖維。

4.2 SiC纖維的代際劃分及主要性能
1975年日本東北大學(xué)的Yajima（矢島圣使）教授用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法成功開發(fā)出連續(xù)SiC纖維，奠定了先驅(qū)體法制備SiC纖維工業(yè)化的基礎(chǔ)。1978年日本碳公司取得Yajima教授的SiC纖維專利實施權(quán)后，在日本新技術(shù)開發(fā)事業(yè)團的支持下，組織國內(nèi)30多名頂級材料專家，經(jīng)近10年的努力，耗資約11億日元，于1989年完全實現(xiàn)了纖維的工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品以Nicalon商品名正式進入市場銷售。日本宇部興產(chǎn)公司也于1988年產(chǎn)業(yè)化制成功另一種連續(xù)Si-Ti-C-O纖維，以Tyranno商品名銷售。美國也于同期制備了多晶纖維，并以Sylramic商品名銷售。

根據(jù)纖維組成、結(jié)構(gòu)及性能的發(fā)展變化過程，先驅(qū)體法制備的SiC纖維可分為三代，第一代為高氧碳SiC纖維，第二代為低氧高碳含量SiC纖維，第三代為近化學(xué)比SiC纖維。其中，第一、二代SiC纖維基本是低密度、高碳含量、無定形纖維，其耐溫性能一般不超過1300℃；第三代為高密度、近化學(xué)計量比、多晶SiC纖維，其耐溫性能大于1700℃，能夠滿足許多尖端裝備需要。

第一代SiC纖維
以日本碳素公司（Nippon Carbon）的Nicalon 200纖維和宇部興產(chǎn)（Ube Industries）的Tyranno LOX-M纖維為代表的高氧碳SiC纖維，一代纖維均采用氧化交聯(lián)方式，最終纖維中的氧質(zhì)量分數(shù)為10%~15%，當(dāng)使用溫度達到1200℃以上，纖維中的SiCxOy相發(fā)生分解反應(yīng)，納米SiC晶體長大，導(dǎo)致力學(xué)性能急劇下降。
第二代SiC纖維
以日本碳素公司的Hi-Nicalon纖維和宇部興產(chǎn)公司的Tyranno LOX-E、Tyranno ZM和Tyranno ZE等低氧、高碳含量SiC纖維為代表，主要采用電子束交聯(lián)，第二代SiC纖維中氧的質(zhì)量分數(shù)降低，自由碳的質(zhì)量分數(shù)相對較高，SiC晶粒尺寸較第一代大，纖維使用溫度由1200℃提高到1300℃。
第三代 SiC纖維
以日本碳素公司的Hi-NicalonType S、宇部興產(chǎn)的Tyranno SA以及美國道康寧（Dow Corning）公司的Sylramic等牌號的近化學(xué)計量比SiC纖維為代表，在組成上接近SiC化學(xué)計量比，游離碳和雜質(zhì)氧含量明顯降低，在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為高結(jié)晶度的SiC多晶結(jié)構(gòu)，其耐溫能力大幅提升至1700℃。

5國內(nèi)SiC陶瓷基復(fù)合材料及SiC纖維研制概況
5.1 國內(nèi)SiC陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件研制情況
我國從20世紀80年代開始，就有張立同院士領(lǐng)導(dǎo)的西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)團隊，以及中航工業(yè)復(fù)材中心、航天材料及工藝研究所、國防科大、中科院硅酸鹽研究所等單位先后跟蹤國際前沿啟動研發(fā)工作�！肮杼沾苫鶑�(fù)合材料”課題被列入總裝“九五”預(yù)研計劃，要求該課題在“九五”期間完成制備工藝研究，并對CMC-SiC的模擬件在發(fā)動機試驗臺上考核，結(jié)果僅用5年時間就實現(xiàn)了由制造工藝研究到構(gòu)件考核的跨越。
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)合材料的研究進展》，“我國高推重比航空發(fā)動機的研制對陶瓷基復(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)動機試驗臺和發(fā)動機上成功地進行了初步驗證�！保弧拔鞅惫�業(yè)大學(xué)超高溫復(fù)合材料實驗室經(jīng)過近7年的努力，自行研制成功擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的CVI法制備 CMC-SiC的工藝及其設(shè)備體系，CVI-CMC-SiC的整體研究水平已躋身國際先進行列�！保弧澳壳耙殉晒ρ兄屏�20余種160余件CV I-CMC-SiC構(gòu)件，其中液體火箭發(fā)動機全尺寸C/SiC噴管通過了高空臺試車，CMC-SiC浮壁瓦片模擬件和調(diào)節(jié)片分別通過了航空發(fā)動機環(huán)境的短時間考核，C/SiC固體火箭發(fā)動機導(dǎo)流管通過了無控飛行考核。”由此可見早在十余年前我國碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的工程化研制工作就已取得較大進展。

根據(jù)2006年10月西工大張立同院士及廈門大學(xué)陳立富教授聯(lián)合署名發(fā)表的《高性能碳化硅陶瓷纖維現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢與對策》，“我國已打破國際封鎖，自主攻克了碳化硅陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件批量制造技術(shù)，但是由于缺少高性能SiC纖維，目前只能用碳纖維代替。但是碳纖維耐氧化性差，嚴重限制了SiC/SiC在高溫長時熱力氧化環(huán)境中的應(yīng)用，不能滿足航空發(fā)動機熱結(jié)構(gòu)部件的要求�！庇纱丝梢姡�十年前我國SiC纖維的研制工作尚無法滿足下游結(jié)構(gòu)件的發(fā)展需要。

5.2 國內(nèi)SiC纖維研制情況
SiC纖維因其特殊性，一直被作為軍事敏感材料，國外對我國實行技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷。國內(nèi)必須獨立自主的開發(fā)和研究SiC纖維，尤其是耐超高溫的SiC纖維，才能促進國內(nèi)先進復(fù)合材料的發(fā)展和武器裝備的研制，提高我國軍事實力和綜合國力。

我國研究SiC纖維的主要單位有國防科技大學(xué)、廈門大學(xué)等，并取得了卓有成效的成果；蘇州賽力菲陶纖有限公司是我國首家成功實現(xiàn)連續(xù)SiC纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)。

我國從20世紀80年代開始SiC纖維的研究，比日本晚8年左右，而與美國和德國幾乎同步。20世紀90年代和21世紀初，國防科技大學(xué)和廈門大學(xué)分別開展了含鋁SiC纖維和低氧SiC纖維、含雜SiC纖維的研究。在師昌緒、才鴻年、張立同和劉大響等一批院士的建議和支持下，這些研究獲得國家有關(guān)科技計劃的支持。

國防科技大學(xué)是我國最早開展先驅(qū)體法制備SiC纖維和含鈦SiC纖維研究的單位，經(jīng)歷了實驗室制得短纖維到制備連續(xù)纖維和工業(yè)化開發(fā)過程。以馮春祥教授為首的科研團隊經(jīng)過艱苦的探索，于1991年建成了國內(nèi)第一條連續(xù)碳化硅纖維實驗生產(chǎn)線。目前已建成了產(chǎn)能500kg/年的SiC纖維中試生產(chǎn)線，制得了具有較好力學(xué)性能的連續(xù)SiC纖維及含鈦碳化硅纖維。

在中國工程院張立同院士的領(lǐng)導(dǎo)下，廈門大學(xué)特種先進材料實驗室通過自主開發(fā)以及與國際合作研制，形成了國際先進、國內(nèi)唯一的高性能連續(xù)陶瓷纖維的制造平臺。制得的SiC纖維性能接近日本同類產(chǎn)品水平，目前正在進行小批量生產(chǎn)技術(shù)的完善。廈門大學(xué)的特色在于通過電子束輻射和熱化學(xué)交聯(lián)的方式，實現(xiàn)了SiC原絲纖維的非氧氣氛交聯(lián)，制得低氧含量的交聯(lián)纖維，再經(jīng)過高溫?zé)�成制得低氧含量的高耐溫SiC纖維。

六SiC 陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件及 SiC 纖維市場前景
6.1國際航空發(fā)動機巨頭對 SiC 陶瓷基復(fù)合材料市場前景的判斷
來自 GE 公司官方的預(yù)測：2013-2023 年航空發(fā)動機市場對 CMC的需求將遞增 10 倍。據(jù)此，為應(yīng)對 CMC 部件需求增長帶來的產(chǎn)能壓力， 2013 年 6 月 GE 投資 1.25 億美金，在美國北卡羅萊納州的阿什維爾建設(shè) 1.16 萬 m2 的生產(chǎn)基地，用以支撐 LEAP-X 發(fā)動機 CMC 部件的量產(chǎn)，也為日后 GE9X 發(fā)動機供應(yīng)所需 CMC 批產(chǎn)部件，并將逐步應(yīng)用到為波音 787 和 747-8 提供動力的 GEnx 上，以及在 CFM 的新一代 LEAP 發(fā)動機上全面推廣。

為確保高端 SiC 纖維的供應(yīng)， 2012 年 4 月 GE 還攜手 SNECMA對外發(fā)布，將聯(lián)合日本碳素公司合資成立 NGS 公司（ NGS AdvancedFibers Co. Ltd.），生產(chǎn)和售“Nicalon”品牌 SiC 連續(xù)纖維，以確�！皟蓮姟睂� CMC 關(guān)鍵原材料 SiC 纖維的持續(xù)供應(yīng)能力。

GE 正努力將 CMC 應(yīng)用到發(fā)動機的各種部件，包括渦輪葉片升級用到 F414 中，預(yù)計到 2016~2018 年間將日產(chǎn) 800 個 CMC 成品部件，以兌現(xiàn)大力拓展 CMC 發(fā)動機部件應(yīng)用的承諾。CFM 準備從 2016 年開始由 CFM56 的生產(chǎn)逐漸過渡到 LEAP-X發(fā)動機，到 2020 年實現(xiàn)年產(chǎn) 1700 臺發(fā)動機。為實現(xiàn)這一產(chǎn)能需求，計劃投資 7.5 億美元，在美國密西西比州埃利斯維爾新建和擴建廠房，總面積擴至 139350m2，用于量產(chǎn) CMC 材料部件。

6.2SiC 陶瓷基復(fù)合材料在我國航空航天發(fā)動機領(lǐng)域的應(yīng)用前景
根據(jù)《中國航天報》 2014 年 5 月的報道，中國航天科技集團公司六院研制生產(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)動機方案驗證。

根據(jù)中國商用航空發(fā)動機公司 2014 年發(fā)表在《航空制造技術(shù)》的《商用航空發(fā)動機陶瓷基復(fù)合材料部件的研發(fā)應(yīng)用及展望》，我國商用航空發(fā)動機處在追趕先進的研制階段，不遠的將來，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。

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


來源：國防軍工參考