材料工程/1997年8期 碳/碳复合材料在航空领域的应用研究现状 The status and Future on Research and a pp lication about Carbon/Carbon Com po sites in the a eronautical a rea 李贺军罗瑞盈杨峥(西北工业大学) L i Hejun Luo Ruiy ing Yang Zheng (Northw estern Po ly techn ical U niversity [摘要]介绍了碳/碳复合材料在飞机刹车装置及航空发动机热端部件方面应用、研究的国内外状况 论述了目前研究中存在的问题及今后的研究发展方向。 关键词碳/碳复合材料碳/碳刹车装置航空发动机热端部件 Abstract] The present status of research and app licatnn about the aircraft brake disk and the eng ine hot com ponents m anufactured by carbon/carbon (C/c)composites in the world has been introduced in the paper. The p roblem s in the study ing works and the developm ent directons about th is fie ld on the future have been d iscussed Keywords C/c composites C/c brake d isk jet engine hot components 1前言 空中客车A310减重499kg,A300-600减重590kg,A330 及A340减重998kg,麦道公司的MD-11减重900kg 碳/碳复合材料是一种新型高温材料,具有重量仅由于改用碳/碳盘就可使每架飞机减重如此之多, 轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热足以说明其诱人之处。不仅如此,其优异的高温性能也 冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优异性能。该材料的十分引人注目,一架飞机刹车摩擦引起的温升高达 密度不到2.0g/am3,仅为镍基高温合金的1/4,陶瓷材500℃以上,尤其是最苛刻的起飞紧急刹车引起的温升 料的1/2,尤其是这种材料随着温度升高(可达200℃)超过1000℃,一架波音747-400的刹车系统在起飞中紧 其强度不仅不降低,甚至比室温还高,这是其它材料所急刹车时会产生1.75×103kgm的功,一些刹车元件将 无法比拟的独特的性能。在应用方面,作为抗烧蚀,短达到熔点,此时碳/碳材料的耐高温性能就显示了极 时使用的材料,碳/碳复合材料已在航天工业中得到成大的优越性 功的应用,如火箭发动机尾喷管、喉衬,航天飞机的机 就微观结构而言,石墨晶体属于层状结构,碳原子 翼前缘等4。在航空领域的应用,最成功的范例当数排列于一系列相距较远(03414m)的原子面上,在 碳/碳复合材料刹车盘,在这方面已形成了成熟的市各层面上的碳原子按正六角形排列,原子在同层之内的 场。但作为研究的焦点,目前则主要集中在作为高温长结合力远远大于层间结合力,邻层之间的结合键能明显 时使用的结构材料方面。将该材料用于航空发动机的热较低,容易滑移,摩擦阻力小,而薄片层内的碳原子在 端部件是目前世界上各先进国家研究和发展的方向,并滑动时却不会溃散,有较大的承载能力。同时碳/碳材 已取得初步成果。本文主要介绍该材料用于航空领域的料又不属于纯石墨结构,碳/碳复合材料中碳纤维和热 情况,由此可以看到碳/碳复合材料在航空领域的应用 解碳的微观组织属于乱层石墨结构,因而摩擦系数比石 发展前景 墨高。碳纤维一方面起着增强基体的作用,使刹车盘具 有足够的强度和刚度,同时由于其石墨化度不高,提高 2碳/碳复合材料飞机刹车装置 了摩擦系数,因此通过调整碳/碳材料碳纤维的体积含 量可以得到既有足够强度又有适中摩擦系数的碳/碳 2.1碳/碳复合材料刹车盘的优越性 盘,通过改变基体热解碳的石墨化度还可以进一步改善 从宏观上分析,碳/碳复合材料刹车盘的优越之处其摩擦磨损性能。这种结构特点,使碳/碳刹车盘具有 主要源于其本身密度小,耐高温的特点,由于其密度合适的摩擦系数和很好的耐磨性,导致使用寿命大幅度 小、使用碳/碳盘后可以使每架飞机重量大大减轻,如提高。采用碳/碳盘后更换周期大幅度延长,一个周期 C1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreseredhttp://wwnw.cnki.ne
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 碳ö碳复合材料在航空领域的应用研究现状 T he Sta tu s and Fu tu re on Resea rch and A pp lica tion abou t Ca rbonöCa rbon Compo sites in the A eronau tica l A rea 李贺军 罗瑞盈 杨峥 (西北工业大学) L i H ejun L uo Ru iying Yang Zheng (N o rthw estern Po lytechn ical U n iversity ) [ 摘要 ] 介绍了碳ö碳复合材料在飞机刹车装置及航空发动机热端部件方面应用、研究的国内外状况, 论述了目前研究中存在的问题及今后的研究发展方向。 关键词 碳ö碳复合材料 碳ö碳刹车装置 航空发动机 热端部件 [ Abstract ] The p resen t statu s of research and app lication abou t the aircraft b rake disk and the engine ho t componen ts m anufactu red by carbonöcarbon (CöC ) compo sites in the wo rld has been in troduced in the paper1 The p rob lem s in the studying wo rk s and the developm en t direction s abou t th is field on the fu tu re have been discu ssed 1 Keywords CöC compo sites CöC b rake disk jet engine ho t componen ts 1 前言 碳ö碳复合材料是一种新型高温材料, 具有重量 轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热 冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优异性能。该材料的 密度不到 210göcm 3 , 仅为镍基高温合金的 1ö4, 陶瓷材 料的 1ö2, 尤其是这种材料随着温度升高 (可达 2200℃) 其强度不仅不降低, 甚至比室温还高, 这是其它材料所 无法比拟的独特的性能。在应用方面, 作为抗烧蚀, 短 时使用的材料, 碳ö碳复合材料已在航天工业中得到成 功的应用, 如火箭发动机尾喷管、喉衬, 航天飞机的机 翼前缘等[1～ 4 ]。 在航空领域的应用, 最成功的范例当数 碳ö碳复合材料刹车盘, 在这方面已形成了成熟的市 场。但作为研究的焦点, 目前则主要集中在作为高温长 时使用的结构材料方面。将该材料用于航空发动机的热 端部件是目前世界上各先进国家研究和发展的方向, 并 已取得初步成果。本文主要介绍该材料用于航空领域的 情况, 由此可以看到碳ö碳复合材料在航空领域的应用 发展前景。 2 碳ö碳复合材料飞机刹车装置 211 碳ö碳复合材料刹车盘的优越性 从宏观上分析, 碳ö碳复合材料刹车盘的优越之处 主要源于其本身密度小, 耐高温的特点, 由于其密度 小、 使用碳ö碳盘后可以使每架飞机重量大大减轻, 如 空中客车A 310 减重 499kg , A 3002600 减重 590kg , A 330 及 A 340 减重 998kg [5 ] , 麦道公司的MD 211 减重 900kg , 仅由于改用碳ö碳盘就可使每架飞机减重如此之多, 已 足以说明其诱人之处。不仅如此, 其优异的高温性能也 十分 引 人 注 目, 一 架 飞 机 刹 车 摩 擦 引 起 的 温 升 高 达 500℃以上, 尤其是最苛刻的起飞紧急刹车引起的温升 超过 1000℃, 一架波音 7472400 的刹车系统在起飞中紧 急刹车时会产生 1175×10 8 kgm 的功, 一些刹车元件将 达到熔点[6 ] , 此时碳ö碳材料的耐高温性能就显示了极 大的优越性。 就微观结构而言, 石墨晶体属于层状结构, 碳原子 排列于一系列相距较远 ( 0. 3414nm ) 的原子面上, 在 各层面上的碳原子按正六角形排列, 原子在同层之内的 结合力远远大于层间结合力, 邻层之间的结合键能明显 较低, 容易滑移, 摩擦阻力小, 而薄片层内的碳原子在 滑动时却不会溃散, 有较大的承载能力。 同时碳ö碳材 料又不属于纯石墨结构, 碳ö碳复合材料中碳纤维和热 解碳的微观组织属于乱层石墨结构, 因而摩擦系数比石 墨高。碳纤维一方面起着增强基体的作用, 使刹车盘具 有足够的强度和刚度, 同时由于其石墨化度不高, 提高 了摩擦系数, 因此通过调整碳ö碳材料碳纤维的体积含 量可以得到既有足够强度又有适中摩擦系数的碳ö碳 盘, 通过改变基体热解碳的石墨化度还可以进一步改善 其摩擦磨损性能。 这种结构特点, 使碳ö碳刹车盘具有 合适的摩擦系数和很好的耐磨性, 导致使用寿命大幅度 提高。 采用碳ö碳盘后更换周期大幅度延长, 一个周期 ·8· 材料工程ö1997 年 8 期
/碳复合材料在航空领域的应用研究现状 可达到1500~3000个起落,寿命提高5~6倍。 飞机生产厂家的许可是不能装备其飞机的,而要取得许 2.2国外技术及应用情况 可证则需要一定的财力支持,同时由于国际上碳/碳盘 目前世界上已有60余种飞机采用了碳/碳刹车装市场竞争局面已经形成,进入这一市场有一定困难,必 置。欧美公司生产的民航飞机的刹车系统已逐渐用碳须有民航等各方面的配合支持;(3)资金投入不足,在 /碳盘取代钢盘,如空中客车公司的所有飞机都采用了新型致密化工艺、摩擦性能等关键性技术方面的研究进 碳/碳刹车装置,波音公司卖给用户的757和767可在展较小,落后于国外先进水平,落后则打不入市场,进 两种刹车盘之间任选一种,而最近的747-400以及77不了市场,则没有财力提高水平,实际是没有进入良性 则只提供碳/碳盘,军用飞机则基本上都采用了碳/碳循环状态。 刹车装置。美国从事航空机轮和碳刹车装置的专业公司 有Hiω、联信公司的Bcndⅸ公司、ABs、B.F. Goodrich3碳/碳复合材料航空发动机热端部件 以及碳化硅公司、联合碳化物公司等。Hito和 bendix 是世界上最大的两家生产碳/碳复合材料及碳/碳盘的3,1发动机热端使用碳/碳复合材料的必要性 公司,ABS公司的碳/碳盘已用于A320、 Fokker100、F 随航空事业的发展,对航空发动机推重比有越来越 14、F-16、B-1、“挑战者式”和“海湾Ⅲ型”飞机上, 高的要求,而提高新型发动机推重比的关键是提高热效 B.F. Goodrich公司则为C-5B、B767、B747、A320T 率,其实现办法是提高空气压缩比和提高涡轮进气温 A330、A340飞机提供碳/碳刹车装置9。 度。从压气机增压比和涡轮进气温度对发动机热效率的 法国研制碳/碳刹车装置的有欧洲动力装置公 关系可以看出,涡轮进气温度和空气压缩比对发动机热 米西尔-西班牙-毕加第公司、洛林碳业公司、国营宇航效率的影响很大 公司。欧洲动力装置公司是世界上第三大碳/碳材料生 因此,航空涡轮发动机和工业涡轮发动机涡轮进气 产厂家,其产品 SEPCA RB已用于幻影200104000温度将会有更大的提高,这就对发动机热端部件的 幻影F1等机型。米西尔公司主要为空中客车系列飞机材料提出了越来越高的要求,能够在16002000℃高温 提供碳/碳刹车装置0。 下正常工作的材料只有碳/碳复合材料,同时,它还具 邓禄普公司 1主要研制和生产碳/碳刹车装置有以下特殊功能(1)在1600℃以上仍能保持强度不降 的公司之一,该公司的产品已用于B767-300、BAe146、低;(2)减轻发动机重量,提高推重比,(3)减少冷空 “协和”式、“鹞”式等机种上。 气消耗,提高发动机效率;(4)提高工作温度,提高发 日本从事碳/碳刹车材料研制工作的有萱场工业公动机的热效率。 东邦贝斯纶公司和东京工业材料研究所等。 可以说哪个国家能够完全解决碳/碳复合材料的问 2.3国内技术及应用情况 题,哪个国家就享有了发展高性能发动机的主动权 我国从70年代初开始研制碳/碳刹车装置,先后参32国外研究发展状况 与此项工作的有兰州碳素厂、514厂、上海碳素厂、烟 近几年来,世界各发达国家正在把碳/碳复合材料 台冶金新材料研究所、西北工业大学等单位,采用的工逐步应用在发动机构件上,美国己把这种材料用在 艺方法主要为CD法。在致密化工艺、增强体准备、性F100飞机发动机喷嘴和加力燃烧室喷管上,Hico公司 能控制等方面,取得了一些成绩,研制出了某型飞机碳己已制成了鱼鳞片;LTV公司制造出了涡轮叶片和盘整 /碳盘样件、BAε146碳/碳盘样件、碳/碳盘的缩比件。体部件,并在1760℃温度下进行了地面超转试验,通用 并进行了性能及结构方面的研究,尤其在摩擦磨损机电气公司JD验证机低压涡轮部分用碳/碳材料制造出 理、石墨化度的影响及提高石墨化度的方法等方面进行涡轮叶片和盘整体部件,运转温度1649℃,比一般涡轮 了较深入的探讨,提出了高摩擦性能碳/碳材料的模高出555℃,而且不用气冷,已试验成功。根据文献 [14]报道,美国Rohr公司目前还正在执行与爱理德 从总体情况来讲,目前国内的技术水平与国外先进西格诺航宇公司加雷特发动机分公司签定的合同,研究 水平相比尽管仍有差距,但已有能力生产合格的碳/碳低价格碳/碳复合材料涡轮转子叶片的材料和工艺,三 盘。遗憾的是我国的碳/碳盘一直没有实用,主要在于年合同期满后,要交付一个涡轮转子叶片,进行发动机 以下几个方面:(1)设备方面比较落后,生产周期长,批实验。法国、德国、俄罗斯也已分别制造出燃烧室喷油 量小、成本居高不下,有些核算成本比进口碳/碳盘还杆,涡轮转子外环等零件。 高,在市场竞争中处于劣势;(2)在民机上应用有一个3.3国内研究情况 技术许可问题,没有得到波音、麦道、空中客车等国外 近几年来西北工业大学开展了一些研究工作,主要 C1994-2010ChinaacademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreseredhuttp://www.cnki.net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 可达到 1500～ 3000 个起落, 寿命提高 5～ 6 倍[7 ]。 212 国外技术及应用情况 目前世界上已有 60 余种飞机采用了碳ö碳刹车装 置[8 ]。欧美公司生产的民航飞机的刹车系统已逐渐用碳 ö碳盘取代钢盘, 如空中客车公司的所有飞机都采用了 碳ö碳刹车装置, 波音公司卖给用户的 757 和 767 可在 两种刹车盘之间任选一种, 而最近的 7472400 以及 777 则只提供碳ö碳盘, 军用飞机则基本上都采用了碳ö碳 刹车装置。美国从事航空机轮和碳刹车装置的专业公司 有 H itco、联信公司的Bendix 公司、ABS、B 1F 1Goodrich 以及碳化硅公司、 联合碳化物公司等。H itco 和 Bendix 是世界上最大的两家生产碳ö碳复合材料及碳ö碳盘的 公司, ABS 公司的碳ö碳盘已用于A 320、Fokker100、F 2 14、 F 216、B 21、“挑战者式”和 “海湾Ë 型”飞机上, B 1F 1Goodrich 公司则为 C 25B、B 767、B 747、A 320T、 A 330、A 340 飞机提供碳ö碳刹车装置[2, 9 ]。 法国研制碳ö碳刹车装置的有欧洲动力装置公司、 米西尔2西班牙2毕加第公司、洛林碳业公司、国营宇航 公司。 欧洲动力装置公司是世界上第三大碳ö碳材料生 产厂家, 其产品 SEPCARB 已用于幻影 2000、幻影 4000、 幻影 F 1 等机型。米西尔公司主要为空中客车系列飞机 提供碳ö碳刹车装置[2, 10 ]。 邓禄普公司是英国主要研制和生产碳ö碳刹车装置 的公司之一, 该公司的产品已用于 B 7672300、BA e 146、 “协和”式、“鹞”式等机种上[11 ]。 日本从事碳ö碳刹车材料研制工作的有萱场工业公 司, 东邦贝斯纶公司和东京工业材料研究所等。 213 国内技术及应用情况 我国从 70 年代初开始研制碳ö碳刹车装置, 先后参 与此项工作的有兰州碳素厂、 514 厂、 上海碳素厂、 烟 台冶金新材料研究所、西北工业大学等单位, 采用的工 艺方法主要为 CVD 法。在致密化工艺、增强体准备、性 能控制等方面, 取得了一些成绩, 研制出了某型飞机碳 ö碳盘样件、BA e 146 碳ö碳盘样件、 碳ö碳盘的缩比件。 并进行了性能及结构方面的研究, 尤其在摩擦磨损机 理、石墨化度的影响及提高石墨化度的方法等方面进行 了 较深入的探讨, 提出了高摩擦性能碳ö碳材料的模 型[8 ]。 从总体情况来讲, 目前国内的技术水平与国外先进 水平相比尽管仍有差距, 但已有能力生产合格的碳ö碳 盘。 遗憾的是我国的碳ö碳盘一直没有实用, 主要在于 以下几个方面: ( 1) 设备方面比较落后, 生产周期长, 批 量小、 成本居高不下, 有些核算成本比进口碳ö碳盘还 高, 在市场竞争中处于劣势; ( 2) 在民机上应用有一个 技术许可问题, 没有得到波音、麦道、空中客车等国外 飞机生产厂家的许可是不能装备其飞机的, 而要取得许 可证则需要一定的财力支持, 同时由于国际上碳ö碳盘 市场竞争局面已经形成, 进入这一市场有一定困难, 必 须有民航等各方面的配合支持; ( 3) 资金投入不足, 在 新型致密化工艺、摩擦性能等关键性技术方面的研究进 展较小, 落后于国外先进水平, 落后则打不入市场, 进 不了市场, 则没有财力提高水平, 实际是没有进入良性 循环状态。 3 碳ö碳复合材料航空发动机热端部件 311 发动机热端使用碳ö碳复合材料的必要性 随航空事业的发展, 对航空发动机推重比有越来越 高的要求, 而提高新型发动机推重比的关键是提高热效 率, 其实现办法是提高空气压缩比和提高涡轮进气温 度。从压气机增压比和涡轮进气温度对发动机热效率的 关系可以看出, 涡轮进气温度和空气压缩比对发动机热 效率的影响很大。 因此, 航空涡轮发动机和工业涡轮发动机涡轮进气 温度将会有更大的提高[12 ] , 这就对发动机热端部件的 材料提出了越来越高的要求, 能够在 1600～ 2000℃高温 下正常工作的材料只有碳ö碳复合材料, 同时, 它还具 有以下特殊功能: ( 1) 在 1600℃以上仍能保持强度不降 低; ( 2) 减轻发动机重量, 提高推重比; ( 3) 减少冷空 气消耗, 提高发动机效率; ( 4) 提高工作温度, 提高发 动机的热效率。 可以说哪个国家能够完全解决碳ö碳复合材料的问 题, 哪个国家就享有了发展高性能发动机的主动权。 312 国外研究发展状况 近几年来, 世界各发达国家正在把碳ö碳复合材料 逐步 应 用 在 发 动 机 构 件 上, 美 国 已 把 这 种 材 料 用 在 F 100 飞机发动机喷嘴和加力燃烧室喷管上, H itco 公司 已制成了鱼鳞片; L TV 公司制造出了涡轮叶片和盘整 体部件, 并在 1760℃温度下进行了地面超转试验; 通用 电气公司 J ID 验证机低压涡轮部分用碳ö碳材料制造出 涡轮叶片和盘整体部件, 运转温度 1649℃, 比一般涡轮 高出 555℃, 而且不用气冷, 已试验成功[1, 13 ]。根据文献 [ 14 ] 报道, 美国 Roh r 公司目前还正在执行与爱理德· 西格诺航宇公司加雷特发动机分公司签定的合同, 研究 低价格碳ö碳复合材料涡轮转子叶片的材料和工艺, 三 年合同期满后, 要交付一个涡轮转子叶片, 进行发动机 实验。法国、德国、俄罗斯也已分别制造出燃烧室喷油 杆, 涡轮转子外环等零件。 313 国内研究情况 近几年来西北工业大学开展了一些研究工作, 主要 ·9· 碳ö碳复合材料在航空领域的应用研究现状
材料工程/1997年8期 进展有以下几个方面 合材料而言这是一个难点,要求有相应稳定的工艺、增 (1)针对碳/碳复合材料生产周期长、工艺难度大、强体质量、基体质量、均匀性等一系列问题,尚需深入 成本居高不下的问题,开发了两种新的成形工艺法,即研究。 超高压成形工艺和快速气相沉积工艺,根据实验结 因此,要真正把碳/碳复合材料用于航空发动机的 果,采用这两种工艺后,生产周期比国内报道的时间缩热端部件,仍需进行更深入细致的研究。 短1/2到2/3。 (2)为解决碳/碳材料的氧化问题,通过在基体中4结束语 忝加的SO2、Zo2,AlO3等,研究了基体改性对抗氧 化的影响,这一点在国内独具特色,使基体抗氧化能 碳/碳复合材料的应用前景十分诱人,但能否用于 力大大提高,开始氧化温度推迟到780℃,同时提高了 航空发动机的关键部件仍依赖于一系列关键问题的解 材料的热膨胀系数,改善了基体和表面涂层的匹配和结决,各国的研究者已经开展了卓有成效的工作,但仍须 合程度。在此基础上研究了包覆法,气渗法,浸渍法 进一步努力。我国在这方面尽管已取得一些成绩,但与 CVD法等表面涂层抗氧化方法m,抗氧化指标达到国外还有较大的距离,还要做大量、扎实的工作 1500℃,100h以上。 参考文献 (3)在超高温性能测试及评价方面,已研究了单向 碳/碳复合材料在1900~2300℃的持久强度和蠕变特1J.D. Buck ley,D.D.Edg, Carbon/ arbon M aterials and 征,提出基体的存在减小了碳原子在扩散过程中被 Composites. Noyes Publicatons, 1993 激活部分的单元,蠕变摩擦力不是一个常数,是一个和2G. Savage. Carbon/ Carbon Composites. Charm an&l 碳原子升华有关的参量等新见解。这方面的工作具有国 际先进水平 3朱良杰,廖东娟,宇航材料工艺,1993,(4):12~14 (4)在应用研究方面,制备出了微型发动机尾喷 4苏君明,碳素,1991,(1):2741 管、叶片样件、高温保护套管等,研究了多种制件的成5陈亚莉.航空制造工程,1995,(4) 形工艺方法。 6陈汶,航空制造工程,1995,(4) 7李海鹏等,国外航空,1976,(10):35 34目前存在的问题 罗瑞盈,碳/碳复合材料快速CVD工艺结构性能及应用研 目前尽管都认为碳/碳材料是新型高性能航空发动 究,西北工业大学博士学位论文,1995,8 机热端部件的可选材料,但国内外都还没有把碳/碳材9陈志军,航空制造工程,195,(4):2526 料真正用于发动机的转动部件,究其原因,关键是以下10 M ain Commercal A ireraft Carbon B rakes Operators M arket 问题还未得到很好解决。 (1)抗氧化问题,由于航空发动机工作时间长、温11赵稼祥,新型碳材料,1989,(2):6~13 度高,而碳材料在400℃以上就会开始氧化,这是一个12杨峥等,材料工程,1992,(79):258-260 尖锐矛盾。虽然在这方面进行了大量的研究,但是距离13杨峥等,碳/碳复合材料(有关数据)及其在航空发动机 实用化仍有一定距离,研究用于1600℃以上长时稳定 上的应用概况,西北工业大学 的抗氧化涂层仍是要解决的最关键问题 14木口.航空周刊,1993.8,19:9 (2)碳/碳材料与传统金属材料在性能、结构等方15 L i Hejun,etal· A New Fabrication Technique of C-cCom- 面均不相同,传统的设计将不适用于碳/碳材料,必须 posites. The Int. Conf, on New M ater, and process 根据该材料的特点进行特殊、全新的结构设计,这方面 16李铁虎,基体改性碳/碳复合材料的制备结构与性能研 的研究需要进一步深入 究,西北工业大学博士学位论文,1993 (3)碳/碳制品的性能与碳纤维的种类、编织方式、 17朱小旗,抗氧化碳/碳复合材料的制备性能及机理研究 致密工艺等因素密切相关,要实现在航空领域的应用还 西北工业大学博士学位论文,1995,1 需进行细致全面的性能研究,建立完整的性能数据库系18储双杰,材料工程,1992,(5):43~46 统,这方面的研究目前也明显不足 19骆蓉,西北工业大学硕士学位论文,1994,1 (4)性能的稳定性、再现性是实用的前提,对于复 C1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreseredhuttp://www.cnki.net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 进展有以下几个方面: ( 1) 针对碳ö碳复合材料生产周期长、工艺难度大、 成本居高不下的问题, 开发了两种新的成形工艺法, 即 超高压成形工艺[15 ]和快速气相沉积工艺[8 ] , 根据实验结 果, 采用这两种工艺后, 生产周期比国内报道的时间缩 短 1ö2 到 2ö3。 ( 2) 为解决碳ö碳材料的氧化问题, 通过在基体中 添加的 SiO 2、 ZrO 2 , A l2O 3 等, 研究了基体改性对抗氧 化的影响[6 ] , 这一点在国内独具特色, 使基体抗氧化能 力大大提高, 开始氧化温度推迟到 780℃, 同时提高了 材料的热膨胀系数, 改善了基体和表面涂层的匹配和结 合程度。 在此基础上研究了包覆法, 气渗法, 浸渍法, CVD 法等表面涂层抗氧化方法[17, 18 ] , 抗氧化指标达到 1500℃, 100h 以上。 ( 3) 在超高温性能测试及评价方面, 已研究了单向 碳ö碳复合材料在 1900～ 2300℃的持久强度和蠕变 特 征[19 ] , 提出基体的存在减小了碳原子在扩散过程中被 激活部分的单元, 蠕变摩擦力不是一个常数, 是一个和 碳原子升华有关的参量等新见解。这方面的工作具有国 际先进水平。 ( 4 ) 在应用研究方面, 制备出了微型发动机尾喷 管、叶片样件、高温保护套管等, 研究了多种制件的成 形工艺方法。 314 目前存在的问题 目前尽管都认为碳ö碳材料是新型高性能航空发动 机热端部件的可选材料, 但国内外都还没有把碳ö碳材 料真正用于发动机的转动部件, 究其原因, 关键是以下 问题还未得到很好解决。 ( 1) 抗氧化问题, 由于航空发动机工作时间长、温 度高, 而碳材料在 400℃以上就会开始氧化, 这是一个 尖锐矛盾。虽然在这方面进行了大量的研究, 但是距离 实用化仍有一定距离, 研究用于 1600℃以上长时稳定 的抗氧化涂层仍是要解决的最关键问题。 ( 2) 碳ö碳材料与传统金属材料在性能、 结构等方 面均不相同, 传统的设计将不适用于碳ö碳材料, 必须 根据该材料的特点进行特殊、全新的结构设计, 这方面 的研究需要进一步深入。 ( 3) 碳ö碳制品的性能与碳纤维的种类、编织方式、 致密工艺等因素密切相关, 要实现在航空领域的应用还 需进行细致全面的性能研究, 建立完整的性能数据库系 统, 这方面的研究目前也明显不足。 ( 4) 性能的稳定性、再现性是实用的前提, 对于复 合材料而言这是一个难点, 要求有相应稳定的工艺、增 强体质量、基体质量、均匀性等一系列问题, 尚需深入 研究。 因此, 要真正把碳ö碳复合材料用于航空发动机的 热端部件, 仍需进行更深入细致的研究。 4 结束语 碳ö碳复合材料的应用前景十分诱人, 但能否用于 航空发动机的关键部件仍依赖于一系列关键问题的解 决, 各国的研究者已经开展了卓有成效的工作, 但仍须 进一步努力。我国在这方面尽管已取得一些成绩, 但与 国外还有较大的距离, 还要做大量、 扎实的工作。 参考文献 1 J 1D 1Buck ley , D 1D 1Edie1 CarbonöCarbon M aterials and Compo sites1 Noyes Publications, 1993 2 G 1Savage1 CarbonöCarbon Compo sites1 Chapm an & Hall, 1993 3 朱良杰, 廖东娟 1 宇航材料工艺, 1993 , ( 4 ) : 12～ 14 4 苏君明 1 碳素, 1991 , ( 1 ) : 27～ 41 5 陈亚莉 1 航空制造工程, 1995 , ( 4 ) 6 陈汶 1 航空制造工程, 1995 , ( 4 ) 7 李海鹏等 1 国外航空, 1976 , ( 10 ) : 35 8 罗瑞盈 1 碳ö碳复合材料快速 CVD 工艺结构性能及应用研 究 1 西北工业大学博士学位论文, 1995 , 8 9 陈志军 1 航空制造工程, 1985 , ( 4 ) : 25～ 26 10 M ain Comm ercial A ircraft Carbon Brakes Operato rs M arket Status, M essier Bugatti Co 1, 199514 11 赵稼祥 1 新型碳材料, 1989 , ( 2 ) : 6～ 13 12 杨峥等 1 材料工程, 1992 , ( 7～ 9 ) : 258～ 260 13 杨峥等 1 碳ö碳复合材料 (有关数据) 及其在航空发动机 上的应用概况 1 西北工业大学, 1993 14 木口 1 航空周刊, 199318119: 9 15 L i Hejun , et al1 A N ew Fabrication Technique of C 2C Com 2 po sites1 The Int 1 Conf, on N ew M ater, and p rocess1, O ct 1 1995 16 李铁虎 1 基体改性碳ö碳复合材料的制备结构与性能研 究 1 西北工业大学博士学位论文, 1993 17 朱小旗 1 抗氧化碳ö碳复合材料的制备性能及机理研究 1 西北工业大学博士学位论文, 1995 , 1 18 储双杰 1 材料工程, 1992 , ( 5 ) : 43～ 46 19 骆蓉 1 西北工业大学硕士学位论文, 1994 , 1 ·10· 材料工程ö1997 年 8 期