陶瓷基的案例
熱管理用高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷基復(fù)合材料研究進(jìn)展
來源 | 無機(jī)材料學(xué)報(bào)
作者 | 陳強(qiáng)，白書欣，葉益聰
單位 | 國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，材料科學(xué)與工程系
原位 | DOI：10.15541/jim20220640
摘要：碳化硅陶瓷基復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱、良好的耐燒蝕性能、高溫抗氧化性、抗熱震性能等特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、摩擦制動(dòng)、核聚變等領(lǐng)域，成為先進(jìn)的高溫結(jié)構(gòu)及功能材料。本文綜述了高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷基復(fù)合材料制備及性能等方面的最新研究進(jìn)展。研究通過引入高導(dǎo)熱相，如金剛石粉、中間相瀝青基碳纖維等用以增強(qiáng)熱輸運(yùn)能力；優(yōu)化熱解碳與碳化硅基體界面用以降低界面熱阻；熱處理用以獲得結(jié)晶度更高、導(dǎo)熱性能更好的碳化硅基體；設(shè)計(jì)預(yù)制體結(jié)構(gòu)用以建立連續(xù)導(dǎo)熱通路等方法，提高碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。此外，本文展望了高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷基復(fù)合材料后續(xù)研究方向，即綜合考慮影響碳化硅陶瓷基復(fù)合材料性能要素，優(yōu)化探索高效、低成本的制備工藝；深入分析高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷基復(fù)合材料導(dǎo)熱機(jī)理，靈活運(yùn)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的構(gòu)效關(guān)系，以期制備尺寸穩(wěn)定、具有優(yōu)異熱物理性能的各向同性高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷基復(fù)合材料。
展開 【會(huì)議通知】關(guān)于舉辦陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)峰會(huì)的通知（第一輪）
復(fù)合材料各相關(guān)單位及從業(yè)人員：
先進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞、易于整體成型等優(yōu)異的綜合性能，在航空、航天以及民用領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。為提升陶瓷基復(fù)合材料的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略地位和在未來的陶瓷基復(fù)合材料研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中搶占先機(jī)，并促進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)的提升與交流，中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)擬于2021年6月在廣東省廣州市舉辦陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)峰會(huì)。
【會(huì)議通知】關(guān)于舉辦陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)峰會(huì)的通知（第一輪）
復(fù)合材料各相關(guān)單位及從業(yè)人員：
先進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞、易于整體成型等優(yōu)異的綜合性能，在航空、航天以及民用領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。為提升陶瓷基復(fù)合材料的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略地位和在未來的陶瓷基復(fù)合材料研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中搶占先機(jī)，并促進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)的提升與交流，中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)擬于2021年6月在廣東省廣州市舉辦陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)峰會(huì)。
具體情況如下：
一、會(huì)議基本情況
會(huì)議名稱：陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)峰會(huì)
會(huì)議時(shí)間：2021年6月
會(huì)議地點(diǎn)：廣東·廣州
主辦單位：中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)
承辦單位：華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（待增）
支持單位：廣州市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)
贊助單位：面向行業(yè)征集（待增）
峰會(huì)主席：成來飛教授
分論壇主席（按姓氏筆畫排序）：
張宗波副研究員、梅輝教授、褚衍輝研究員
會(huì)議規(guī)模：300人左右
會(huì)議會(huì)期：3天
二、會(huì)議主要內(nèi)容
1.開幕式暨主會(huì)場(chǎng)
主題報(bào)告邀請(qǐng)國內(nèi)8-10位知名院士及行業(yè)專家，主要圍繞陶瓷基復(fù)合材料學(xué)科與產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，陶瓷基復(fù)合材料的制造技術(shù)和制造工藝進(jìn)行研討交流，促進(jìn)廣州市陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。
2.學(xué)術(shù)交流分會(huì)場(chǎng)
峰會(huì)設(shè)置三個(gè)學(xué)術(shù)交流分會(huì)場(chǎng)，圍繞陶瓷材料理論與創(chuàng)新方法、結(jié)構(gòu)與功能陶瓷材料、陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)等三大方面展開。
分會(huì)場(chǎng)一.陶瓷材料理論與創(chuàng)新方法
從陶瓷材料的理論和創(chuàng)新方法等角度展開研討，探索陶瓷材料技術(shù)與理論相結(jié)合的發(fā)展方向，推動(dòng)陶瓷基復(fù)合材料創(chuàng)新發(fā)展。
展開 ：穩(wěn)定的超疏水陶瓷基碳納米管復(fù)合脫鹽膜
陶瓷基CNT膜的制造和DCMD工藝流程圖
圖2. PC-CNT膜和FC-CNT膜的形貌表征
（a）尖晶石基陶瓷基材（1）表面SEM圖像，（2）橫截面SEM圖像，（3）簡化的結(jié)構(gòu)模型（黑色：CNT；淺綠色：尖晶石基底）和（4）在室溫（~25℃）下測(cè)量水在膜表面上的接觸角；
（b）PC-CNT膜（1）表面SEM圖像，（2）橫截面SEM圖像，（3）簡化的結(jié)構(gòu)模型（黑色：CNT；淺綠色：尖晶石基底）和（4）在室溫（~25℃）下測(cè)量水在膜表面上的接觸角；
（c）FC-CNT膜（1）表面SEM圖像，（2）橫截面SEM圖像，（3）簡化的結(jié)構(gòu)模型（黑色：CNT；淺綠色：尖晶石基底）和（4）在室溫（~25℃）下測(cè)量水在膜表面上的接觸角；圖2c2中的插圖SEM圖像是FC-CNT膜表面上厚度~4μm的超疏水網(wǎng)絡(luò)層）。
圖3.
展開 
航空發(fā)動(dòng)機(jī)上典型復(fù)合材料的應(yīng)用
樹脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵機(jī)匣、進(jìn)氣機(jī)匣、風(fēng)扇靜子葉片、壓氣機(jī)靜子葉片、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片、包容機(jī)匣和升力風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)軸上。
GE90系列發(fā)動(dòng)機(jī)采用樹脂基復(fù)合材料制成的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片
陶瓷基復(fù)合材料
陶瓷基復(fù)合材料具有類似金屬的斷裂行為、對(duì)裂紋不敏感、沒有災(zāi)難性損毀，是軍用和民用發(fā)動(dòng)機(jī)不可或缺的高溫材料。其中應(yīng)用最廣泛的是氮化硅基復(fù)合材料。
與高溫合金和單相陶瓷相比，陶瓷基復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)有：密度低，僅為高溫合金的1/4～1/3；具有很好的耐高溫能力，只需較少氣體冷卻或根本不需要冷卻；具有較高的氧化穩(wěn)定性，使用該材料的高溫部件可以不使用昂貴且沉重的隔熱涂層或氧化保護(hù)涂層。陶瓷基復(fù)合材料主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪和噴管等部件上。
斯奈克瑪公司將自愈合陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用于研制燃燒室火焰筒和火焰穩(wěn)定器。
從2015年起，GE公司開始在GEnx驗(yàn)證機(jī)上開展包含燃燒室火焰筒內(nèi)外環(huán)、第一級(jí)高壓渦輪罩環(huán)、第二級(jí)渦輪導(dǎo)向器、渦輪轉(zhuǎn)子葉片的陶瓷基復(fù)合材料部件試驗(yàn)，來驗(yàn)證整套熱端部件的功能性和耐久性。GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷基復(fù)合材料渦輪轉(zhuǎn)子葉片能夠?qū)崿F(xiàn)葉片減重2/3，耐溫提高20%，對(duì)耗油率改善的貢獻(xiàn)率達(dá)30%；而使用陶瓷基復(fù)合材料的燃燒室火焰筒能以更少的冷卻空氣量應(yīng)對(duì)更高的溫度，改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。
展開 3D打印鈦基復(fù)合材料與陶瓷
[來源/圖片：通過硫酸鋁熱分解增強(qiáng)陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的新方法]
在X方向上前后移動(dòng)使粉末床變平
全球碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)大匯總
2017年，樹脂基復(fù)合材料的主要收入，依然是航空航天，其中，波音、空客與美國的軍用航空航天占據(jù)絕大部分市場(chǎng)。這是個(gè)典型的高投入、高技術(shù)、高門檻、長周期、高收益的細(xì)分市場(chǎng)。
風(fēng)電行業(yè)，盡管碳纖維的用量已經(jīng)超過航空航天市場(chǎng)，但是，復(fù)材的收入?yún)s比航空航天低很多，甚至低于體育產(chǎn)業(yè)的收入。這是完全可以理解的，纖維采用低成本大絲束，成型采用最經(jīng)濟(jì)的拉擠工藝與單向織物層灌注工藝。拉擠工藝中，拉擠板材每公斤的成本幾乎與每公斤的碳纖維成本相當(dāng)，軸向把纖維的力學(xué)性能發(fā)揮到極致，這是其他工業(yè)應(yīng)用需認(rèn)真借鑒的。
對(duì)比風(fēng)電，汽車復(fù)材不僅有低成本要求，還需要高節(jié)拍、自動(dòng)化的制造工藝，經(jīng)濟(jì)的維護(hù)要求等，其應(yīng)用難度可想而知。關(guān)于樹脂基復(fù)材中，熱塑性與熱固性材料的分配比例，在東麗收購荷蘭TENCATE之后。從東麗官網(wǎng)的信息得知：2016年國際商用航空器采用了5000萬歐元的熱塑復(fù)材。
2016年航空航天的樹脂基復(fù)材市場(chǎng)是88.6億美元。除了商用航空，使用熱塑復(fù)材的還有筆記本外殼，運(yùn)動(dòng)鞋底，醫(yī)療器械和2020年之后的汽車。再加上短切碳纖維增強(qiáng)塑料及熱塑連續(xù)碳纖維預(yù)浸料，我們將熱固與熱塑的比率調(diào)整為75%：25%。
我國在陶瓷基復(fù)合材料研究方面起步相對(duì)較晚。近年來通過國家項(xiàng)目的支持，目前國內(nèi)相關(guān)高校和研究單位在陶瓷基復(fù)合材料的研究取得了較大的突破。
目前陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用還主要集中在軍工、航天領(lǐng)域，在其他民用領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模還相對(duì)有限。接下來一段時(shí)期內(nèi)，陶瓷基復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展方向?qū)⒅饕蜍娹D(zhuǎn)民發(fā)展，軍轉(zhuǎn)民的過程是行業(yè)發(fā)展規(guī)模迅速膨脹的階段，市場(chǎng)一旦打開，陶瓷基復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展也將進(jìn)入新的階段。
碳纖維復(fù)合材料是發(fā)展國防軍工、航空航天、新能源及高科技產(chǎn)業(yè)的重要原材料之一，已廣泛應(yīng)用在軌道交通、汽車、建筑、醫(yī)療、電子、海洋開發(fā)、體育休閑等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。
展開 全球碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)大匯總
2017年，樹脂基復(fù)合材料的主要收入，依然是航空航天，其中，波音、空客與美國的軍用航空航天占據(jù)絕大部分市場(chǎng)。這是個(gè)典型的高投入、高技術(shù)、高門檻、長周期、高收益的細(xì)分市場(chǎng)。
風(fēng)電行業(yè)，盡管碳纖維的用量已經(jīng)超過航空航天市場(chǎng)，但是，復(fù)材的收入?yún)s比航空航天低很多，甚至低于體育產(chǎn)業(yè)的收入。這是完全可以理解的，纖維采用低成本大絲束，成型采用最經(jīng)濟(jì)的拉擠工藝與單向織物層灌注工藝。拉擠工藝中，拉擠板材每公斤的成本幾乎與每公斤的碳纖維成本相當(dāng)，軸向把纖維的力學(xué)性能發(fā)揮到極致，這是其他工業(yè)應(yīng)用需認(rèn)真借鑒的。
對(duì)比風(fēng)電，汽車復(fù)材不僅有低成本要求，還需要高節(jié)拍、自動(dòng)化的制造工藝，經(jīng)濟(jì)的維護(hù)要求等，其應(yīng)用難度可想而知。關(guān)于樹脂基復(fù)材中，熱塑性與熱固性材料的分配比例，在東麗收購荷蘭TENCATE之后。從東麗官網(wǎng)的信息得知：2016年國際商用航空器采用了5000萬歐元的熱塑復(fù)材。
2016年航空航天的樹脂基復(fù)材市場(chǎng)是88.6億美元。除了商用航空，使用熱塑復(fù)材的還有筆記本外殼，運(yùn)動(dòng)鞋底，醫(yī)療器械和2020年之后的汽車。再加上短切碳纖維增強(qiáng)塑料及熱塑連續(xù)碳纖維預(yù)浸料，我們將熱固與熱塑的比率調(diào)整為75%：25%。
我國在陶瓷基復(fù)合材料研究方面起步相對(duì)較晚。近年來通過國家項(xiàng)目的支持，目前國內(nèi)相關(guān)高校和研究單位在陶瓷基復(fù)合材料的研究取得了較大的突破。
目前陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用還主要集中在軍工、航天領(lǐng)域，在其他民用領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模還相對(duì)有限。接下來一段時(shí)期內(nèi)，陶瓷基復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展方向?qū)⒅饕蜍娹D(zhuǎn)民發(fā)展，軍轉(zhuǎn)民的過程是行業(yè)發(fā)展規(guī)模迅速膨脹的階段，市場(chǎng)一旦打開，陶瓷基復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展也將進(jìn)入新的階段。
碳纖維復(fù)合材料是發(fā)展國防軍工、航空航天、新能源及高科技產(chǎn)業(yè)的重要原材料之一，已廣泛應(yīng)用在軌道交通、汽車、建筑、醫(yī)療、電子、海洋開發(fā)、體育休閑等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。
展開 佳能也開始做陶瓷3D打印機(jī)了，高分辨率氧化鋁基陶瓷材料
2018年11月29日，南極熊從外媒獲悉，日本佳能公司決定通過創(chuàng)造一種能夠產(chǎn)生極高分辨率零件的新型陶瓷材料來追求第三條道路。
基材是氧化鋁基陶瓷粉末，其與選擇性激光熔融3D打印機(jī)一起燒結(jié)。與使用SLA（立體光刻）3D打印機(jī)固化的其他陶瓷注入樹脂不同，在最終退火烘烤中經(jīng)歷高達(dá)20％的收縮，佳能陶瓷部件在退火階段后的尺寸差異小于0.8％。尺寸精度對(duì)于聯(lián)鎖零件和工業(yè)設(shè)備至關(guān)重要，佳能的目標(biāo)是陶瓷的耐熱性和耐腐蝕性。
通過觀察它們的打印樣品，復(fù)雜的幾何形狀對(duì)于陶瓷材料來說沒有問題。佳能計(jì)劃將此技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，其中兼容性和定制是特別重要的因素。 能夠以更經(jīng)濟(jì)的方式生產(chǎn)小批量產(chǎn)品可以為醫(yī)院節(jié)省一大筆錢。
其實(shí)佳能早就開始介入3D打印領(lǐng)域了，2015年10月，佳能發(fā)布了一款光固化3D打印機(jī)。這款設(shè)備具有許多優(yōu)勢(shì)，包括行業(yè)內(nèi)最高精度及最高表面光潔度，更高的打印速度，更短的設(shè)定時(shí)間，更簡單的后處理，以及可使用多種通用型樹脂材料等。所以，它非常適用于產(chǎn)品的快速迭代和小批量生產(chǎn)。
2016年12月21日，佳能中國公司推舉辦了“魅立方”3D打印機(jī)媒體發(fā)布會(huì)，當(dāng)時(shí)佳能推出的是瞄準(zhǔn)教育市場(chǎng)的FDM桌面級(jí)3D打印機(jī)。
雖然佳能也是以2D打印巨頭的身份切入3D打印，但是在市場(chǎng)上尚未取得比較大的成功，不知道此次推出的陶瓷3D打印機(jī)會(huì)不會(huì)帶來比較大的改觀。
其實(shí)，目前的陶瓷3D打印機(jī)，也已經(jīng)不少了。例如2018年3月26日南極熊報(bào)道的幾個(gè)廠商。
北京十維科技
十維科技由清華校友創(chuàng)立于2014年。
展開 透波材料的總結(jié)和發(fā)展趨勢(shì)
CVI 工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是：基體制備溫度低，故纖維受損傷小，材料內(nèi)部殘余應(yīng)力小；能制備硅化物、碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等多種陶瓷材料，并可實(shí)現(xiàn)微觀尺度上的成分設(shè)計(jì)；在同一CVI 反應(yīng)室中，可依次進(jìn)行纖維/基體界面、中間相、基體以及部件外表涂層的沉積；能制備形狀復(fù)雜和纖維體積分?jǐn)?shù)高的近尺寸部件。
其不足之處主要有：基體的晶粒尺寸小，材料熱穩(wěn)定性低；基體的致密化速度慢，生產(chǎn)周期長，制備成本高；預(yù)制體的孔隙入口附近氣體濃度高，沉積速度大于內(nèi)部沉積速度，容易形成“瓶頸效應(yīng)”而產(chǎn)生密度梯度；制備過程中易產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕性產(chǎn)物。
(4) 聚合物先驅(qū)體浸漬—裂解（PIP）法[16]
1983 年，日本的S. Yajima 等提出了聚碳硅烷裂解制備SiC 材料的路線，并使SiC 纖維實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷材料的巨大潛力逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，迅速掀起了先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備陶瓷材料的研究熱潮。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法開創(chuàng)了從有機(jī)物制備無機(jī)物的新領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了陶瓷制備工藝的革命性創(chuàng)新，目前已經(jīng)在陶瓷微粉、陶瓷纖維、陶瓷薄膜、泡沫陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料等方面取得了眾多成果。在先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷工藝中，聚合物先驅(qū)體浸漬－裂解法（Precursor infiltrationand pyrolysis，PIP）是制備陶瓷基復(fù)合材料的重要方法，其一般過程是：以纖維預(yù)制件（三維編織物、疊層布多孔材料等）為骨架，浸漬聚合物先驅(qū)體（溶液或熔融物），在惰性氣體保護(hù)下使其交聯(lián)固化（或晾干），然后在一定氣氛中進(jìn)行高溫裂解，從而得到陶瓷基復(fù)合材料及構(gòu)件，重復(fù)浸漬－交聯(lián)－裂解過程可使復(fù)合材料致密化。
展開 NCC宣布與Reaction Engines建立創(chuàng)新合作關(guān)系
英國國家復(fù)合材料中心將與Reaction Engines合作，為可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭的高超音速推進(jìn)技術(shù)的先驅(qū)，加速他們的陶瓷基復(fù)合材料研究。
英國國家復(fù)合材料中心宣布與Reaction Engines建立創(chuàng)新合作關(guān)系
英國國家復(fù)合材料中心（NCC）很高興地宣布，Reaction Engines已加入NCC的會(huì)員網(wǎng)絡(luò)。位于牛津郡阿賓登的反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)公司正在開發(fā)一種新型創(chuàng)新型高超音速推進(jìn)系統(tǒng)所需的技術(shù)，即Synergetic Air-Breathing Rocket Engine，即Saber。鳳凰環(huán)氧樹脂1001https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/48287.html
與NCC的合作將集中于加速公司在陶瓷基復(fù)合材料（CMC）方面的研究。CMCs重量輕，耐用且具有優(yōu)異的耐熱性能，將在快速發(fā)展的商業(yè)空間市場(chǎng)的組件開發(fā)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
英國國家復(fù)合材料中心首席執(zhí)行官Richard Oldfield在宣布合作伙伴關(guān)系時(shí)說：
“NCC與Reaction Engines的合作反映了我們的目標(biāo)，即讓每個(gè)高科技行業(yè)都能獲得最先進(jìn)的復(fù)合材料制造技術(shù)和技術(shù)專家，以加速復(fù)合材料的使用。我們期待與一個(gè)團(tuán)隊(duì)合作，共享NCC的承諾，并將研究創(chuàng)新轉(zhuǎn)化為商業(yè)上可行的組件。“
Reaction Engines首席技術(shù)官Richard Varvill說：
“Reaction Engines最近加入了英國國家復(fù)合材料中心，以加速其陶瓷基復(fù)合材料的研究。這使我們能夠利用NCC的專業(yè)知識(shí)，協(xié)助開發(fā)英國供應(yīng)鏈，從而提供原型組件供應(yīng)，以滿足SABRE?開發(fā)計(jì)劃的需求。“
展開 
羅羅在Advance3核心機(jī)中使用3D打印和CMC材料技術(shù)
羅羅公司的陶瓷基復(fù)合材料部件。
英國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商羅羅公司近日表示，3D打印正在為下一代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的制造引領(lǐng)潮流。
該公司表示，Advance3發(fā)動(dòng)機(jī)將成為該公司最新的民用大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)UltraFan的核心機(jī)，計(jì)劃在2025年推向市場(chǎng)。而Advance3發(fā)動(dòng)機(jī)中采用3D打印（又稱為增材制造技術(shù)），生產(chǎn)了該發(fā)動(dòng)機(jī)20000個(gè)零部件中的一部分，同時(shí)還在該發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件中使用了尖端的陶瓷基復(fù)合材料（CMC）。
羅羅表示，該核心機(jī)已經(jīng)完成100多個(gè)小時(shí)的測(cè)試，初步結(jié)果表現(xiàn)性能出色。
早期的羅羅發(fā)動(dòng)機(jī)遄達(dá)XWB-97上其實(shí)就已經(jīng)采用3D打印制造的零部件，一個(gè)直徑1.5米的鈦合金結(jié)構(gòu)就是采用Arcam公司的金屬3D打印機(jī)制造的，然而，現(xiàn)在Arcam公司已經(jīng)完全被羅羅公司的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手美國GE公司所收購，羅羅公司將采用何種3D打印系統(tǒng)繼續(xù)為Advance3核心機(jī)制造零部件還有待觀察。
羅羅公司表示，先進(jìn)材料和制造方法的使用是項(xiàng)目早期成功的關(guān)鍵，而3D打印技術(shù)允許工程師為零件創(chuàng)建新的設(shè)計(jì)，并且可以更快地制造和重新設(shè)計(jì)這些零件，而陶瓷基復(fù)合材料CMCs在高溫下使用壽命更長，同時(shí)又比金屬零部件重量要輕。
羅羅民用航空航天項(xiàng)目總工程師Ash Owen表示：“到目前為止，測(cè)試進(jìn)行得非常順利，當(dāng)你意識(shí)到這是一個(gè)引入了一系列新技術(shù)和新核心機(jī)架構(gòu)的引擎時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這是一項(xiàng)了不起的成就。我們現(xiàn)在已經(jīng)完成了第一階段的測(cè)試和分析結(jié)果。我們喜歡CMC和3D打印部件表現(xiàn)出來的性能。”
Advance3核心機(jī)的測(cè)試已經(jīng)在2017年11月就開始，在今年7月份已經(jīng)達(dá)到了滿功率狀態(tài)。
同時(shí)，航空航天工業(yè)也已經(jīng)開始使用CMC，因?yàn)樗鼈兡軌蛟跇O端溫度環(huán)境中運(yùn)行，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的熱區(qū)。
展開 美國工程院院士：質(zhì)量與人才是航發(fā)研制永恒主題
航空制造網(wǎng)：據(jù)報(bào)道，普惠公司在靜潔動(dòng)力齒輪傳動(dòng)式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（GTF）上使用了先進(jìn)的陶瓷基復(fù)合材料，請(qǐng)簡單介紹一下 GTF 發(fā)動(dòng)機(jī)，并談一談普惠公司在陶瓷基復(fù)合材料方面取得了哪些成績？
艾倫·艾伯斯坦：普惠公司的靜潔動(dòng)力齒輪傳動(dòng)式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（GTF），能夠降低75%的噪音，減少50%的氣體排放，理論上能降低 16%的燃油消耗，而據(jù)航空公司的反應(yīng)，實(shí)際降低的油耗要高于16%。我們聯(lián)合技術(shù)公司是全球最大的陶瓷基復(fù)合材料制造商。我們使用陶瓷基復(fù)合材料為其他發(fā)動(dòng)機(jī)制造商提供了大量部件。只要我們認(rèn)為可以增加產(chǎn)品價(jià)值，我們就加入陶瓷基復(fù)合材料。同時(shí)，我們認(rèn)為，單片陶瓷和新型金屬材料也具有價(jià)值，所以我們?cè)谕瑫r(shí)使用這3 種材料。
航空制造網(wǎng)：目前3D打印技術(shù)熱度不斷攀升，普惠公司的發(fā)展?fàn)顩r如何，將會(huì)給航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制帶來哪些改變？
艾倫·艾伯斯坦：實(shí)際上，在GTF上我們用了不少的3D打印技術(shù)，只不過我們平常不太宣傳這個(gè)。對(duì)于制造發(fā)動(dòng)機(jī)來說，最大的挑戰(zhàn)并不在于你能不能制造出一臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，而是你是否能以客戶愿意支付的價(jià)格造出來。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些零部件用3D打印的方式會(huì)便宜不少，我們現(xiàn)在也在這么做。目前，3D打印最大的好處是可以提高生產(chǎn)速度。我們現(xiàn)已利用3D打印制造試驗(yàn)用零件和用于尖端技術(shù)的開發(fā)部件。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，如果我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)部件用3D打印技術(shù)制造會(huì)節(jié)約不少成本，就會(huì)告訴部件供應(yīng)商既然我們能自己用3D打印，就不再從他們那兒采購部件了，這樣供應(yīng)商就會(huì)降價(jià)了。
3D打印的另一優(yōu)勢(shì)是可以用于生產(chǎn)需求較少的部件。
展開 【科普系列】電磁波的“克星”—介電損耗型吸波材料
Phys., 2018, 20: 14155-14165.
02 陶瓷基吸波材料
理想的電磁吸收體應(yīng)具有質(zhì)量輕熱穩(wěn)定性好、能吸收較寬的電磁頻率、經(jīng)濟(jì)有效等特征。陶瓷作為一種潛在的電磁波吸收材料,也越來越受到人們的關(guān)注。科研人員對(duì)陶瓷進(jìn)行了大量的研究，例如: SiC，SiCf，Al2O3， SiO2， SiOC，SiBCN等。Al2O3和 SiO2作為傳統(tǒng)的陶瓷材料，具有很高的耐磨性、耐高溫、耐腐蝕、硬度且高溫中化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),使其廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。但其作為吸波材料有著不可忽視的缺點(diǎn)，純的陶瓷材料在高溫下的吸波性能并不樂觀 (反射損耗值較高)。為此, 研究者通過引入碳材料、金屬氧化物 (Li2O) 等物質(zhì)來調(diào)節(jié)其介電常數(shù)、熱膨脹系數(shù)以及阻抗匹配等特性，用以提高陶瓷材料在高溫下的吸波性能。
目前, 對(duì)于高溫下的吸波性能的測(cè)試手段并不健全，材料的電性能隨溫度的變化程度不可控且規(guī)律復(fù)雜。此外，陶瓷材料的元素種類較多、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理也較為復(fù)雜。這些弊端均限制了陶瓷基吸波材料的發(fā)展。為此, 后續(xù)的工作將集中于更好地控制其形貌、物相和結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)其介電常數(shù)，改變其導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而增強(qiáng)其電磁波吸收性能。同時(shí)，對(duì)陶瓷基材料的電磁波吸收機(jī)理進(jìn)行更深入的探索,并且設(shè)計(jì)出可在高溫下測(cè)試材料吸波性能的平臺(tái)，以滿足復(fù)雜的電性能和機(jī)理分析。
LAS/RGO-KH-550的電磁波吸收機(jī)理
LUS R, XIA L, XU J M, et al.
展開 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的新材料
另外由于金屬間化合物是處于高溫合金與陶瓷材料之間的一種新材料，它填補(bǔ)了這兩種材料之間的空檔，因而成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的理想材料之一。
目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，致力于研究開發(fā)的主要是以鈦鋁和鎳鋁等為重點(diǎn)的金屬間化合物。這些鈦鋁化合物與鈦的密度基本相同，但卻有更高的使用溫度。例如和 TiAl的使用溫度分別為816℃和982℃。 金屬間化合物原子間的結(jié)合力強(qiáng)，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成了它的變形困難，在室溫下顯現(xiàn)出硬而脆的特點(diǎn)。目前經(jīng)過多年的試驗(yàn)研究，一種具有高溫強(qiáng)度和室溫塑性與韌性的新型合金已經(jīng)研制成功，并已裝機(jī)使用，效果很好。例如美國的高性能F119型發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵機(jī)匣、渦輪 盤都是采用的金屬間化合物，驗(yàn)證機(jī)F120型發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片和盤均采用了新的鈦鋁金屬間化合物。
陶瓷基復(fù)合材料
說到陶瓷，人們很自然想到它的特點(diǎn)就是脆性。十幾年前，如果把它用于工程領(lǐng)域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到現(xiàn)在說到陶瓷復(fù)合材料，也可能還會(huì)有些人不清楚，認(rèn)為陶瓷和金屬原本就是兩種不相關(guān)的基本材料，但是自從人們巧妙地將陶瓷和金屬結(jié)合后，才使人們對(duì)這種材料的概念發(fā)生了根本的變化，這就是陶瓷基復(fù)合材料。
陶瓷基復(fù)合材料在航空工業(yè)領(lǐng)域是一種非常有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)材料，特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造應(yīng)用中，越來越顯示出它的獨(dú)到之處。陶瓷基復(fù)合材料除了具有重量輕，硬度高的優(yōu)點(diǎn)以外，還具有優(yōu)異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。
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