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1、堕室垄动垫用长寿命直暹堕套基复盒盐型的研究与应用张立同 西北工业大学复 合材料研究所7100721高性能航空发动机对材料的需求高性能航空发动机是发展先进军用和民用飞机的基础。飞机的超音速巡航、非常规机动 性、低环境污染、低油耗、低全寿命成本等性能，极大程度上是靠发动机性能的改善实现。 提高涡轮进口温度、提高平均级压比、降低油耗是高推重比军用航空发动机的发展趋势。提 高涡轮前进口温度、涵道比和总增压比大幅度降低加力耗油率(仅为军机的1314)是高 速民用航空发动机的发展趋势。显然降低发动机的结构重量更有利于提高推重比和降低油 耗。发动机性能的改善对高温结构材料提出十分苛刻的要求，发展低密度、高比
2、强、高比模、 耐高温、抗氧化和可靠性好的各种长寿命结构材料已势在必行。美国NASA Lewis研究中心1987年制定的“先进高温发动机材料计划”(HTEMP)具有代表性，它反映了高推重比军 机和高速民机的高温结构材料的需求。它的核心是发展连续纤维增强的各类基体复合材料， 该计划列出各类先进复合材料的密度和最高工作温度。其中clIIc的工作温度范围确定为11001650，要求CMC具有类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、没有灾难性损毁。它 是第四代和第五代军用和民用发动机不可缺少的高温材料。我国推重比10发动机对先进CMC 也提出了明确的需求。 用密度仅有25339cc的陶瓷基复合材料接替密度为8
3、038869cc的锦镍基或 单晶镍合金作发动机的燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和喷管等部件是陶瓷基复合材料应用方 向。2CMC在航空发动机上应用研究的进展目前CMC部件已在多种军用和民用发动机上成功完成了演示验证并开始用于型号研制 实践表明，采用CMC显著地提高了工作温度、减少了冷却气量并减轻了结构重量。如F119 发动机矢量喷管使用了具有隔热和防热的CMC壁板；M883发动机使用了csic尾喷管调节片；F414发动机使用了CMC加力燃烧室喷管；V2500发动机使用了CMC燃烧室浮壁；Trent一800 上使用了CMC扇形涡轮外环；SiCSiC的喷管鱼鳞片已在叮200发动机上进行了成功的演示、Si
4、CAt。0。的加力燃烧室火焰稳定器己在军用验证发动机中通过了严格的评定、全尺寸 SiCA120。燃烧室火焰筒成功地经受了军用发动机试验台的考核，表明CMC构件未受高温高 压的损伤；目前陶瓷基复合材料技术在航空发动机中最复杂的应用要算罗罗公司的导向叶 片。它是采用纤维编织工艺和CYI法制成。“IPTET”计划中XTC-65核心机的燃烧室也使 用了CMC浮壁。53航空发动机用CMC的性能特点航空CMC的性能可概括为三高一长，即工作温度高、性能高和可靠性高，使 用寿命长。航空发动机的寿命要求在1000小时以上，因此要求材料的寿命至少在500小时 以上。高可靠性要求材料在服役期内具有良好的性能稳定性，
5、并具有类似金属的断裂行为、 对裂纹不敏感、没有灾难性损毁。工作温度可达1250 1650。根据上述性能要求并参考 高温合金，提出了CMC的设计准则。这些准则包括：3 1抗氧化-陛和挥发性 材料的表面和界面最容易遭受服役环境中氧的侵蚀而导致材料性能的下降，因此抗氧化性是设计材料的重要准则。材料在高温的蒸气压及挥发性决定了材料的最高使用温度。32抗蠕变性 在高温长时的工作条件下，由于外力和热激活的作用，使材料内部发生一些不可逆的 微观位移而出现蠕变。蠕变往往首先出现在晶界。蠕变速率与材料的晶界宽度、晶界扩散系 数、空洞体积成正比，而与晶粒尺度成反比。因此晶界必须具有足够的抗空洞形成的阻力和 晶界滑
6、移的阻力，该阻力大小与材料的界面结构和性质有关。33断裂韧性和断裂能 脆性是限制陶瓷材料实用的关键，要求材料从室温到高温都具有较 高的断裂韧性和断裂能，并具有较大的断裂应变，从而不会产生灾难性的损毁。34抗热震性(抗冷热循环疲劳) 抗热震性是要求CMC必须具有承受温度剧变的能力，它是 材料力学性能和热学性能对受热条件的综合反应。评估抗热震性一般依据热弹性理论和断裂力学理论。前者是以热应力 和材料的固有强度之间的平衡作为抗热震破坏的依据，即抗热震断裂；后者则是以热弹性应 变能和断裂能之间的平衡作为判据，即抗热震损伤。从抗热震断裂的角度出发，要求材料具 有较低的密度、热膨胀系数、比热较大的热传导系
7、数和表面换热系数。从抗热震损伤的角 度出发，要求材料具有较高的强度、断裂韧性和断裂能。35疲劳性能除要求具有优良抗冷热疲劳性能以外，还要求具有优良的抗机械疲劳性能，这是长寿 命CMC性能的突出特点。36显微结构的设计 为满足上述要求，除正确选择材料外，材料必须具有合理的显微结构。连续纤维增韧的陶瓷基复合材料，其显微结构具有很好的可设计性，可以通过复合材料基体、纤维和界面 的优化设计，最大限度地满足对材料性能的要求。64OMO的主要体系及相应制造技术CVlSCHP SS C B AS C M C BAS P(：SSCRMISC届靳届届 泐洲呦劝IiBSN S 吣叭邮哪邮 文籼文文批5国内的研究进
8、展及与国际先进水平的差距我国航空发动机用陶瓷基复合材料的国防预先研究于“八五”立项，其中包括材料的 应用技术研究和材料的应用基础研究两部分。在“九五”期间，更明确了发展连续纤维增 强的CMC。经过七、八年的工作，已初步形成了我国航空发动机用陶瓷基复合材料和制造技 术的发展体系，在多种cMc的性能和制造技术方面有新的突破。初步具备了高温力学性能的 测试条件和1650高温风洞的试验条件。并计划“九五”末期在发动机部件试验台架上试 车。从国际情况来看，目前影响CMC实用化进程的关键有二：一是缺乏高性能的连续纤维； 二是CMC的成本太高。作为结构件使用的连续纤维，要求在10000小时内持久强度o sR
9、1GPa，在05GPa的 应力作用下蠕变量sc1，同时还应具有直径小、抗氧化和抗腐蚀等特点。已商品化的 HiNitalon SiC纤维，最高使用温度为1400，目前尚没有满足1650“C使用的纤维。Hi-Nicalon SiC纤维的价格十分昂贵($6000kg)，纤维编织费用很高，致使CMC的成 本很高。我国与发达国家相比，总体上落后10到15年，主要差距表现在： 我国目前尚没有用于高温长寿命CMC的陶瓷纤维，唯可用的只有碳纤维。碳纤维 对氧的敏感性增加了CMC的制造难度和使用难度，限制了CMC的发展。我国尚缺乏CMC性能的数据库，因此对航空CMC构件的设计工作尚处空白。 我国尚没有在航空发动
10、机上进行CMC构件的演示验证。6我国航空发动机OMO跨世纪发展思路的探讨CMC的落后主要是由于缺乏高质量的陶瓷纤维，发展高性能SiC纤维已势在必行。目前仍以碳纤维增强CMC为主，稳定制造工艺和使用性能，不盲目追求高指标。重 点突破高温长寿命CMC的界面和防氧化涂层的设计和制造。以应用牵动材料和相关技术协调发展。加强CMC的应用环境考核和性能测试研究， 逐步建立数据库。以进一步认识CMC损毁规律及其机制，以指导材料设计和性能改进；建立 CMC使用性能的评价体系并确定测试方法；为CMC构件的设计和在发动机台架或型号发动机 上演示验证提供依据。重视高性能低成本CMC的创新性探索和跟踪性研究，不断发展
11、新材料技术。7小米技术委员会预测的。谷：商业汽车用陶瓷发动机科(2015)、替代金属的复台材料L2027)、智能材料在家庭和汽车及办 4也非常重视，周光召院士在百名院士科uf建设中的重要工业，也是非常重要的研究方 接着说，”预计智能材料、强场材料、仿生材料和 一i复合材料和纳米材料等将大量应用“。朱光亚院士在“当代工程技 一引起重视的几个问题”的报告中，提出了当代工程技术发展的五大特点，其 材 料技术成为不同工程领域产业化的共性关键技术的条目下，指出“当代每项 ，术的出现都有赖于新材料的发展”。他预计“90年代新材料的发展方向是高功能 趟高性能化、复合化和智能化”。师昌绪院士列举了材料科学技术
12、中七个活跃领域，其 中第二项为机敏材料与智能系统。美国、日本和英国等先进国家都有智能材料方面的大型课 题。智能材料在我国，也两次被列为国家自然科学基金委员会的重点项目一仿生智能金属材料和无机非金属智能材料。 本文简要介绍智能材料的基本概念和部分国内外实例，并重点介绍作者等人在智能无机 材料研究方面的些最新进展。2智能材料的基本概念与部分实例智能材料，是指能够接受响应外部环境的信息而自动改变自身状态的一种新型材料。智 能材料具有类似于活的生物肌体组织那样的内部病变自诊断、外部伤口自愈合、环境自适应 甚至自组装自恢复等功能效应。智能材料最早分别由日本和美国材料科学家提出。日本一般称为Intelli
13、gentMaterials，美国多使用Smart Materials。国内或称为智能材料或称为机敏材料。尽管有人 专门论述两者的区别，但国际学界却常常把两者混用。例如，每两年次的国际智能材料大 会，就是用SmartInte1igent Materials Conference。 在许多场合，智能材料一词往往与，结构Structure”甚至“系统system”连在一起。 例如”智能材料与结构“或”智能材料与系统“，表明材料智能化的实现往往对于结构和系 统有一定的依赖性。许多智能材料属于功能仿生材料范畴。对于活的生物肌体来说，实现智能需要几个基本 的要素：一是要有能量作为驱动力，二是在其组织和肌体
14、内部要有一定的物质的交换和迁移 (新陈代谢)，三是肌体内部组织能够随外部环境的刺激作出定的反应和响应，包括物理 的和化学的反应和响应；四是肌体的内部组织能够根据自我保护的需要或条件反射，作出适 当的反馈，适应或抵销外部的环境的变化。能量一物流一感知一反馈，是生物体实现智能特 性的基本要素。对于无机智能材料，至少需要信号感知和反馈驱动的联动性。传感器只有感知功能而不 能自行反馈驱动，驱动器能驱动但是需要外部的指令才能启动。所以，智能材料是一种能够“动”的传感材料，或者说本身能实现驱动的传感器。目前，能够在感应后无需指令就能” 动“的材料，公认的有三种：压电陶瓷、形状记忆合金、电磁流变体。它们的共
15、同点是本身 能感受电磁信号或热能等物理信号，并随之发生明显的内部结构状态的变化或者形状体积的变化。例如电流变体，在正常情况下是一种可以用勺子搅动的液态，但当有电流通过时，就 会变得粘稠甚至像混凝土那样坚硬。人们期望用这种液态制造新型的汽车悬梁和传动装置， 以及减震系统和可变阻力的锻炼器械。压电陶瓷受到力的作会用产生电，在电的作用下会产 生形变力。形状记忆合金，能够在加热时发生大的形变，并恢复到原来赋予和指定的形状。对于其它的智能材料，一般就要把感知组元与驱动组元组合在一起，捆绑式的一起埋入 到材料中。其组合的方式和埋入的部位，都有一定的讲究，需要有比较巧妙的结构上的布局 和设计，所以，这样的将
16、两个独立的传感元件与驱动元件进行组合而形成的材料结构体系， 往往成为智能材料结构。最早引起社会兴趣和工业界重视的智能材料结构(Smart MaterialsStructure)， 是 美国人研制的具有减振效果和诊断功能的“智能材料机翼”。在飞机的机翼部件中，埋入 光 导纤维等内应力传感器，这些传感系统能将飞机机翼各个部分的受力情况及时告知信息处 理 中心，进而反馈信号，使机翼及时平衡和抵销多余的振动。而执行减振驱动指令的则是形 状 记忆合金及其网络。美国人期望，将来用智能材料制作的飞机，其机翼可以像鱼尾一样自 由 弯曲，自动改变形状，从而改进升力和阻力。他们期望用25年的时间，使飞机能在飞行 过程中改变自身形状的控制面。日本东京大学柳田博明等人将碳索纤维和玻璃纤维组合，埋入混凝土中，以检测混凝土 的应力状态和形变量。两种
