专题-CMC的发展及进展课件.pptx

1、超音速飞行器速度越高，与空气摩擦产生的温度愈高，因而超音速飞行器速度越高，与空气摩擦产生的温度愈高，因而需要发展更耐高温的防热系统需要发展更耐高温的防热系统(TPS)。马赫数马赫数以航空发动机为例，不断提高推力才能不断提高飞行速度，以航空发动机为例，不断提高推力才能不断提高飞行速度，而提高推力需要提高发动机工作温度和降低重量，因而需要而提高推力需要提高发动机工作温度和降低重量，因而需要发展更耐高温更低密度的热结构材料。发展更耐高温更低密度的热结构材料。陶瓷材料陶瓷基复合材料传统铸造耐传统铸造耐热合金热合金优点：耐高温 低密度缺点：难加工 脆性高玻璃球不易碎陶瓷材料尺寸越大越脆陶瓷材料尺寸越大越

2、脆层状连续纤维晶须强韧性强韧性各向异性各向同性陶瓷基复合材料颗粒各向同性各向异性连续纤维增韧陶瓷基复合材料连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CMC)可以从根本上克服陶瓷可以从根本上克服陶瓷的脆性，是陶瓷基复合材料发展的主流。的脆性，是陶瓷基复合材料发展的主流。非氧化物非氧化物氧化物氧化物长期工作温度（长期工作温度（C）抗氧化抗氧化连续纤维陶瓷基复合材料连续纤维陶瓷基复合材料玻璃陶瓷玻璃陶瓷低成本低成本高性能高性能CMC-SiC是发展耐高温、长寿命、抗氧化热结构陶瓷基复合是发展耐高温、长寿命、抗氧化热结构陶瓷基复合材料的基础。材料的基础。Constituent(要素要素):Al2O3/Mullite(

3、Al6Si2Al13)Continuous fiber/Porous matrixStructure:Matrix porosity 60-85Vol%Fiber fraction 42-48Vol% Total porosity 35-50Vol%氧化物陶瓷基复合材料具有多孔基体特性氧化物陶瓷基复合材料具有多孔基体特性多铝红多铝红柱石柱石多孔基体多孔基体基体孔隙基体孔隙总孔隙率总孔隙率H2O corrosionFiber-Matrix reaction Grain growth氧化物陶瓷基复合材料具有良好的热化学稳定性氧化物陶瓷基复合材料具有良好的热化学稳定性颗粒增长颗粒增长Oxide-CM

4、C (Al2O3/Mullite)Al2O3-transition layerYSZ (Y2O3 stabilized ZrO2)Against water vapor抗环境涂层可进一步提高氧化物陶瓷基复合材料的环境性能抗环境涂层可进一步提高氧化物陶瓷基复合材料的环境性能氧化钇增韧氧化锆氧化钇增韧氧化锆限制：在水分压限制：在水分压P 2bar的的H2O蒸汽环境化学稳定蒸汽环境化学稳定优点：减少冷却气和氮氧化物尾气排放优点：减少冷却气和氮氧化物尾气排放在燃烧室的潜在应用在燃烧室的潜在应用在涡轮增压器的潜在应用在涡轮增压器的潜在应用在各种小型发动机尾喷口的应用在各种小型发动机尾喷口的应用科曼奇科曼

5、奇黑鹰黑鹰眼镜蛇眼镜蛇5003000根根/ /束）束）适当的制备技术是确保材料跨尺度结构优化的基础，适当的制备技术是确保材料跨尺度结构优化的基础，通过结构单元之间的协同效应，实现材料强韧化。通过结构单元之间的协同效应，实现材料强韧化。非骨架类非骨架类骨架类骨架类骨骨筋筋肉肉皮皮承载承载传载传载连接与成形连接与成形防护防护伤筋动伤筋动骨骨破皮损肉破皮损肉功能失效功能失效C或或SiC纤维纤维PyC界面层界面层碳化硅基体碳化硅基体表面涂层表面涂层使用温度使用温度 ()0123456500150025003500450055006500热流密度/KW.m-2线烧蚀率10-2/mm.s-1C/CC/Si

6、C0123456500150025003500450055006500热流密度热流密度-2线烧蚀率线烧蚀率10-2/mm.s-1C/CC/SiC编制结构对有涂层编制结构对有涂层C/SiC阻尼性能的影响阻尼性能的影响1Hz00.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.0180.02050100150200250300350400450Temperature()Tan Delta3D2D 1Hz2D-C/SiC和和3D-C/SiC的的室温热辐射性能室温热辐射性能 0.780.820.750.820.830.760.000.100.200.300.400.500

7、.600.600.700.700.800.800.900.901.001.00无涂层无涂层SiC涂层涂层SiC涂层涂层+抛光抛光2D3D3DTotal Hemisphere Emissivity ( eH) 2D2D3D3D3D3D 金属与复合材料的焊接金属与复合材料的焊接金属与复合材料螺钉连接金属与复合材料螺钉连接复合之间的粘结复合之间的粘结复合材料之间的铆接复合材料之间的铆接接替高温合金，减重接替高温合金，减重 70%，提高工作温度，提高工作温度200500燃料燃料氧化物氧化物泵泵燃烧室燃烧室喷嘴喷嘴主要用于推力室和喷管，可显著碱重，提高推力室压力和寿主要用于推力室和喷管，可显著碱重，提高

8、推力室压力和寿命，同时减少再生冷却剂量，实现轨道动能拦截系统的小型命，同时减少再生冷却剂量，实现轨道动能拦截系统的小型化和轻量化。化和轻量化。 燃烧室与喷管燃烧室与喷管用于大面积热防护系统用于大面积热防护系统(TPS)，比金属的减重，比金属的减重50， 提高安提高安全性和使用寿命，减少发射准备程序，减少维护，降低成本全性和使用寿命，减少发射准备程序，减少维护，降低成本 新一代战斗机，也可用于民机、高速列车、赛车和跑车新一代战斗机，也可用于民机、高速列车、赛车和跑车 比比C/C刹车材料制备周期短、成本低、强度高、动静摩擦系刹车材料制备周期短、成本低、强度高、动静摩擦系数高且匹配好，湿态恢复快数高且匹配好，湿态恢复快燃烧室燃烧室内衬内衬过渡段过渡段接口接口第一级第一级喷嘴喷嘴第一级第一级叶片叶片第一级第一级覆环覆环CMC用基体材料用基体材料(氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷)