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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(dòng)機(jī)高溫合金首選替代材料

為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和降低燃料消耗，最根本的措施是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度。數(shù)據(jù)顯示航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度每提高100度，在發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(kāi)始推廣，其使用溫度提高到接近1000°C；進(jìn)入80年代以后，相繼開(kāi)發(fā)出了高溫單晶合金、彌散強(qiáng)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(lèi)合金熔點(diǎn)的80%。雖然通過(guò)各種冷卻技術(shù)可進(jìn)一步提高渦輪進(jìn)口溫度，但作為代價(jià)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(duì)小而薄型的熱端部件難以進(jìn)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(jì)在21世紀(jì)中可替代高溫合金的發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)首選材料。

陶瓷材料的耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、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(diǎn)阻礙了它的實(shí)用化。而連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(CFRCMC，Continuous Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites，簡(jiǎn)稱(chēng)CMC)彌補(bǔ)了陶瓷材料的短板。

它基于陶瓷組分，采用高強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)增強(qiáng)陶瓷基體復(fù)合成材的混搭組合，類(lèi)似于“鋼筋+混凝土”的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，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?chē)o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(shì)。它可以具有類(lèi)似金屬的斷裂行為、對(duì)裂紋不敏感、沒(méi)有災(zāi)難性損毀。

連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料主要包括碳纖維增強(qiáng)碳化硅（C/SiC）和碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅（SiC/SiC）兩種。由于C/SiC抗氧化性能較SiC/SiC差，國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件最終獲得應(yīng)用的是SiC/SiC。

1.2 SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)

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(qiáng)材料，形成以引入的SiC增強(qiáng)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(qiáng)度、抗氧化、耐腐蝕、耐沖擊的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼具SiC纖維增強(qiáng)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(shí)，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(dòng)機(jī)渦輪前溫度可達(dá)1650°C，額外的170°C溫差仍需采用壓氣機(jī)引氣冷卻來(lái)彌補(bǔ)，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(jì)算，采用耐溫1480°C的CMC材料高壓渦輪葉片可使發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率降低6%。同時(shí)，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(jìn)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(jī)會(huì)，其氮氧化物的減排潛力可達(dá)33%。

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SiC/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(shì)

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(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯、燃燒室筒、噴口導(dǎo)流葉片、機(jī)翼前緣、渦輪葉片和渦輪罩環(huán)等部位。

國(guó)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(dòng)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(dòng)件，例如渦輪轉(zhuǎn)子和渦輪葉片還處于探索階段。

2.2 國(guó)外SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料研制脈絡(luò)

20世紀(jì)80年代，法國(guó)率先研制出牌號(hào)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(dòng)機(jī)（配套法國(guó)陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)）噴管外調(diào)節(jié)片和F100型發(fā)動(dòng)機(jī)（配套美國(guó)F-15/F-16戰(zhàn)斗機(jī)）調(diào)節(jié)片上。

隨后各個(gè)國(guó)家持續(xù)加大對(duì)SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域投入，如美國(guó)NASA的HIPTET、HSR/EPM和UEET計(jì)劃，日本的AMG計(jì)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(bào)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(dòng)機(jī)尾噴管、F136發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、F414發(fā)動(dòng)機(jī)和CFM LEAPX發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪罩環(huán)等構(gòu)件。

CFM是GE和法國(guó)賽峰集團(tuán)（SAFRAN）旗下斯奈克瑪公司（SNECMA）對(duì)半合資成立的公司，已向波音和空客提供了2.5萬(wàn)余臺(tái)中型客機(jī)用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。其經(jīng)典之作CFM-56 是全球裝機(jī)最多的一款發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，堪稱(chēng)傳奇。

法國(guó)賽峰集團(tuán)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)上完成了首次商業(yè)飛行。賽峰通過(guò)旗下兩家公司Herakles和SNECMA設(shè)計(jì)、制造了該尾噴口驗(yàn)證件并進(jìn)行了地面試驗(yàn)。在2012年于A320上執(zhí)行了初始試驗(yàn)后，CMC尾噴口驗(yàn)證件于2015年4月22日通過(guò)歐洲航空安全局(AESA)商業(yè)飛行使用認(rèn)證。賽峰認(rèn)為這項(xiàng)認(rèn)證確認(rèn)了其開(kāi)發(fā)先進(jìn)CMC零件的能力，能夠滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的航空要求。

CFM公司針對(duì)單通道客機(jī)的新一代發(fā)動(dòng)機(jī)LEAP-X預(yù)計(jì)于2016年投放市場(chǎng)，該發(fā)動(dòng)機(jī)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(rèn)為商用發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的又一次革新。

2.3 世界三大航空發(fā)動(dòng)機(jī)巨頭對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用研究

2.3.1 GE公司

21世紀(jì)初，GE公司引入CMC材料制造地面燃機(jī)的渦輪罩環(huán)，同時(shí)從靜子部件、開(kāi)始擴(kuò)展CMC在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用范圍。2016年投入使用的LEAP-1發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪罩環(huán)由CMC材料制造，將實(shí)現(xiàn)CMC在商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的首次應(yīng)用。一旦GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)在2020年之后投入使用，將極大擴(kuò)展CMC在商用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用范圍。該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室火焰筒、第一級(jí)高壓渦輪噴管和罩環(huán)以及第二級(jí)高壓渦輪噴管都由CMC制造。2015年初，GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的首個(gè)全套CMC零部件在一臺(tái)改造過(guò)的GEnx-1B發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)始試驗(yàn)。2014年末，GE在一臺(tái)F414渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)上驗(yàn)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(jì)劃將CMC引入其軍民用發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品線(xiàn)。其計(jì)劃內(nèi)容包括在Advance系列的較小型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)上使用帶有CMC內(nèi)襯的無(wú)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(yàn)證機(jī)項(xiàng)目，在美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）的Cleen項(xiàng)目指導(dǎo)下利用一臺(tái)Trent1000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試陶瓷噴管。試驗(yàn)結(jié)果顯示CMC材料系統(tǒng)的耐高溫性能超過(guò)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(gòu)了位于美國(guó)加州的專(zhuān)業(yè)CMC生產(chǎn)商Hyper-Therm公司，該公司與NASA合作開(kāi)發(fā)了首先用于液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)的主動(dòng)冷卻、連續(xù)纖維增強(qiáng)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(dòng)機(jī)熱端轉(zhuǎn)子部件上的應(yīng)用研究，而對(duì)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(dòng)機(jī)的低壓渦輪級(jí)數(shù)配置，另一部分原因則是普·惠更加偏愛(ài)現(xiàn)金合金材料的熱傳導(dǎo)性能。與其他廠(chǎng)商5~7級(jí)的低壓渦輪相比，普·惠發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪只有3級(jí)，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(rèn)為CMC應(yīng)用于轉(zhuǎn)子件上才能帶來(lái)最大收益。普·惠還打算在未來(lái)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片上使用耐高溫能力更強(qiáng)的CMC材料，這也是CMC材料低密度特性的價(jià)值所在。

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

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SiC/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(guó)分別以PIP和CVI技術(shù)見(jiàn)長(zhǎng)，德國(guó)在RMI技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)世界領(lǐng)先，美國(guó)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(jī)構(gòu)主要有法國(guó)Boreleaux大學(xué)、美國(guó)Oak-Ridge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和日本Osaka Prefecture大學(xué)等。

上世紀(jì)七十年代初期法國(guó)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(jiǎn)稱(chēng)CMC- SIC)的新方法，現(xiàn)已發(fā)展成為工程化技術(shù)，而后美國(guó)購(gòu)買(mǎi)了法國(guó)專(zhuān)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(duì)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(jī)械加工、水射流加工、激光加工3類(lèi)。

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SiC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(hù)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(gè)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(wú)可替代的作用，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入大量資金致力于此類(lèi)陶瓷纖維的研制與開(kāi)發(fā)。目前世界上僅日本和美國(guó)能批量提供通用級(jí)和商品級(jí)的SiC纖維，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)能達(dá)百?lài)嵓?jí)的僅有日本碳公司和日本宇部興產(chǎn)株式會(huì)社，典型產(chǎn)品牌號(hào)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(shí)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(xiàn)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(guò)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(jī)上熔紡成連續(xù)聚碳硅烷纖維，再經(jīng)過(guò)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?dú)獗Ｗo(hù)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(kāi)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(zhuān)利實(shí)施權(quán)后，在日本新技術(shù)開(kāi)發(fā)事業(yè)團(tuán)的支持下，組織國(guó)內(nèi)30多名頂級(jí)材料專(zhuān)家，經(jīng)近10年的努力，耗資約11億日元，于1989年完全實(shí)現(xiàn)了纖維的工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品以Nicalon商品名正式進(jìn)入市場(chǎng)銷(xiāo)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(xiāo)售。美國(guó)也于同期制備了多晶纖維，并以Sylramic商品名銷(xiāo)售。

根據(jù)纖維組成、結(jié)構(gòu)及性能的發(fā)展變化過(guò)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(wú)定形纖維，其耐溫性能一般不超過(guò)1300℃；第三代為高密度、近化學(xué)計(jì)量比、多晶SiC纖維，其耐溫性能大于1700℃，能夠滿(mǎn)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?jǐn)?shù)為10%~15%，當(dāng)使用溫度達(dá)到1200℃以上，纖維中的SiCxOy相發(fā)生分解反應(yīng)，納米SiC晶體長(zhǎng)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?jǐn)?shù)降低，自由碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)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(guó)道康寧（Dow Corning）公司的Sylramic等牌號(hào)的近化學(xué)計(jì)量比SiC纖維為代表，在組成上接近SiC化學(xué)計(jì)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℃。

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國(guó)內(nèi)SiC陶瓷基復(fù)合材料及SiC纖維研制概況

5.1 國(guó)內(nèi)SiC陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件研制情況

我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)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(tuán)隊(duì)，以及中航工業(yè)復(fù)材中心、航天材料及工藝研究所、國(guó)防科大、中科院硅酸鹽研究所等單位先后跟蹤國(guó)際前沿啟動(dòng)研發(fā)工作。“硅陶瓷基復(fù)合材料”課題被列入總裝“九五”預(yù)研計(jì)劃，要求該課題在“九五”期間完成制備工藝研究，并對(duì)CMC-SiC的模擬件在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上考核，結(jié)果僅用5年時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了由制造工藝研究到構(gòu)件考核的跨越。

目前國(guó)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(guó)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(guó)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制對(duì)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)上成功地進(jìn)行了初步驗(yàn)證。”；“西北工業(yè)大學(xué)超高溫復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)近7年的努力，自行研制成功擁有自主知識(shí)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(guó)際先進(jìn)行列。”；“目前已成功研制了20余種160余件CV I-CMC-SiC構(gòu)件，其中液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)全尺寸C/SiC噴管通過(guò)了高空臺(tái)試車(chē)，CMC-SiC浮壁瓦片模擬件和調(diào)節(jié)片分別通過(guò)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境的短時(shí)間考核，C/SiC固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流管通過(guò)了無(wú)控飛行考核。”由此可見(jiàn)早在十余年前我國(guó)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(jìn)展。

根據(jù)2006年10月西工大張立同院士及廈門(mén)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(shì)與對(duì)策》，“我國(guó)已打破國(guó)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(yán)重限制了SiC/SiC在高溫長(zhǎng)時(shí)熱力氧化環(huán)境中的應(yīng)用，不能滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱結(jié)構(gòu)部件的要求。”由此可見(jiàn)，十年前我國(guó)SiC纖維的研制工作尚無(wú)法滿(mǎn)足下游結(jié)構(gòu)件的發(fā)展需要。

5.2 國(guó)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(guó)外對(duì)我國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷。國(guó)內(nèi)必須獨(dú)立自主的開(kāi)發(fā)和研究SiC纖維，尤其是耐超高溫的SiC纖維，才能促進(jìn)國(guó)內(nèi)先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展和武器裝備的研制，提高我國(guó)軍事實(shí)力和綜合國(guó)力。

我國(guó)研究SiC纖維的主要單位有國(guó)防科技大學(xué)、廈門(mén)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(guó)首家成功實(shí)現(xiàn)連續(xù)SiC纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)。

我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始SiC纖維的研究，比日本晚8年左右，而與美國(guó)和德國(guó)幾乎同步。20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初，國(guó)防科技大學(xué)和廈門(mén)大學(xué)分別開(kāi)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(guó)家有關(guān)科技計(jì)劃的支持。

國(guó)防科技大學(xué)是我國(guó)最早開(kāi)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(shí)驗(yàn)室制得短纖維到制備連續(xù)纖維和工業(yè)化開(kāi)發(fā)過(guò)程。以馮春祥教授為首的科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)艱苦的探索，于1991年建成了國(guó)內(nèi)第一條連續(xù)碳化硅纖維實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線(xiàn)。目前已建成了產(chǎn)能500kg/年的SiC纖維中試生產(chǎn)線(xiàn)，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(guó)工程院張立同院士的領(lǐng)導(dǎo)下，廈門(mén)大學(xué)特種先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室通過(guò)自主開(kāi)發(fā)以及與國(guó)際合作研制，形成了國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)唯一的高性能連續(xù)陶瓷纖維的制造平臺(tái)。制得的SiC纖維性能接近日本同類(lèi)產(chǎn)品水平，目前正在進(jìn)行小批量生產(chǎn)技術(shù)的完善。廈門(mén)大學(xué)的特色在于通過(guò)電子束輻射和熱化學(xué)交聯(lián)的方式，實(shí)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(guò)高溫?zé)芍频玫脱鹾康母吣蜏豐iC纖維。

蘇州賽力菲陶纖有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)蘇州賽力菲）2005開(kāi)始進(jìn)行碳化硅材料研發(fā)，技術(shù)來(lái)源于國(guó)防科大。2011年，蘇州賽力菲成功實(shí)現(xiàn)連續(xù)SiC纖維的產(chǎn)業(yè)化，并開(kāi)始向國(guó)內(nèi)相關(guān)單位提供可用纖維，使我國(guó)成為繼日本和美國(guó)后又一個(gè)能實(shí)現(xiàn)連續(xù)SiC纖維產(chǎn)業(yè)化的國(guó)家。目前蘇州賽力菲已經(jīng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)第一代SiC纖維SLF-I纖維的工程化生產(chǎn)，基本突破第二代SiC纖維制備關(guān)鍵技術(shù)，2~3年時(shí)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)第二代SiC纖維工程化生產(chǎn)（年產(chǎn)能?chē)嵓?jí)）。

與國(guó)外產(chǎn)品相比，賽力菲SLF-I纖維的力學(xué)性能與編制性能接近或達(dá)到國(guó)外產(chǎn)品，但在綜合性能和產(chǎn)能上仍有一定的差距。目前蘇州賽力菲陶纖有限公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能?chē)嵓?jí)連續(xù)SiC纖維，產(chǎn)能10噸/年的產(chǎn)業(yè)化基地正在建設(shè)中。

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SiC陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件及SiC纖維市場(chǎng)前景

6.1 國(guó)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)巨頭對(duì)SiC陶瓷基復(fù)合材料市場(chǎng)前景的判斷

來(lái)自GE公司官方的預(yù)測(cè)：2013-2023年航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)對(duì)CMC的需求將遞增10倍。據(jù)此，為應(yīng)對(duì)CMC部件需求增長(zhǎng)帶來(lái)的產(chǎn)能壓力，2013年6月GE投資1.25億美金，在美國(guó)北卡羅萊納州的阿什維爾建設(shè)1.16萬(wàn)m2的生產(chǎn)基地，用以支撐LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)CMC部件的量產(chǎn)，也為日后GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力的GEnx上，以及在CFM的新一代LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)外發(fā)布，將聯(lián)合日本碳素公司合資成立NGS公司（NGS Advanced Fibers Co. Ltd.），生產(chǎn)和銷(xiāo)售“Nicalon”品牌SiC連續(xù)纖維，以確保“兩強(qiáng)”對(duì)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(dòng)機(jī)的各種部件，包括渦輪葉片升級(jí)用到F414中，預(yù)計(jì)到2016~2018年間將日產(chǎn)800個(gè)CMC成品部件，以?xún)冬F(xiàn)大力拓展CMC發(fā)動(dòng)機(jī)部件應(yīng)用的承諾。

CFM準(zhǔn)備從2016年開(kāi)始由CFM56的生產(chǎn)逐漸過(guò)渡到LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)，到2020年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)1700臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。為實(shí)現(xiàn)這一產(chǎn)能需求，計(jì)劃投資7.5億美元，在美國(guó)密西西比州埃利斯維爾新建和擴(kuò)建廠(chǎng)房，總面積擴(kuò)至139350m2，用于量產(chǎn)CMC材料部件。

6.2 SiC陶瓷基復(fù)合材料在我國(guó)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用前景

根據(jù)《中國(guó)航天報(bào)》2014年5月的報(bào)道，中國(guó)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(chē)，順利通過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)方案驗(yàn)證。

根據(jù)中國(guó)商用航空發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)陶瓷基復(fù)合材料部件的研發(fā)應(yīng)用及展望》，我國(guó)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)處在追趕先進(jìn)的研制階段，不遠(yuǎn)的將來(lái)，也將推出裝配具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)CMC部件的國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)江系列商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

由此可見(jiàn)，我國(guó)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)對(duì)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。