航空航天领域没有易事 高温陶瓷材料潜能大

（原标题：在航空航天领域，没有容易的解决途径（先进结构陶瓷篇））

（文章来源于公众号“材料人”，作者：糯米糯米）

【引语】

众所周知，用于航空航天领域的材料一般都处于极端环境下。例如，喷气发动机的金属、陶瓷等组件需要承受复杂的负载机制、高温及苛刻的化学环境。先进材料在这一领域的应用也面临着科学与政策监管等多方面的问题和挑战。可以说，在航空航天领域，没有容易的解决当前问题的途径。Nature Materials官网最近聚焦航空航天材料，邀请了加州大学圣巴巴拉校区的Tresa M. Pollock、布朗大学Nitin p Padture以及罗罗公司高级工程师等众多学者大牛撰文评述该领域的现状与发展，材料人几位小编整理出来以飨读者。

图0涡轮机结构示意图

更高效、强大的航天器和发动机都是人类孜孜不倦的追求——需要承受更高的温度和更恶劣的环境、拥有更快的速度。为了提高航天器的推力，对目前的几种工艺材料（主要是高温合金和陶瓷），以及冷却系统、热保护系统（TPSs）等都提出了更高的要求。同时，各种因素综合起来又会增加更多的考量，因此，可供选择的航空航天材料少之又少。

高温陶瓷是一类应用到航空航天领域很有前景的材料：密度低，高温性能好等系列优点，可显著减重、提高燃油效率、延长使用寿命，且废气清洁、允许更灵活的设计，大大降低成本。高温陶瓷一般包括热/环境障涂层（T/EBCs，用于涂覆高温合金或碳碳复合材料表面），陶瓷基复合材料（作为高温合金的替代物），以及先进陶瓷（作为飞机或者火箭发动机的高温结构组件）。然而，目前在航空航天领域还存在很多的问题需要进一步攻克。

热障涂层

陶瓷热障涂层（TBCs）是一种厚度约100μm-1mm的陶瓷氧化物涂层，一般用于涂覆发动机高温部位的金属（通常是镍基高温合金）部件。TBCs在高速热气流下具有低的热导率，使得发动机可以在高温合金熔点以上的温度工作。最高可以承受1500℃以上的高温，具有效率高、性能好、排放清洁等特点。

图1 a(左)：几种发动机材料的温度性能发展示意图（包括镍基高温合金、TBC、CMC、以及附带冷却系统的材料体系）；b(右)：入气口温度随燃气涡轮发动机比动力的增加而急剧增加。

就目前来说，TBCs通常由ZrO2和质量比约为7 %的Y2O3（7YSZ）组成，Y2O3可以使ZrO2部分稳定，工作效果更好。同时足够的孔隙度和微结构缺陷可以降低热导率以更好地容纳热应变。最重要的是，7YSZ的成分范围狭窄，可以很好地利用铁弹增韧机制，从而使涂层的机械强度更高。然而，随着TBCs的温度性能要求不断提高，7YSZ TBCs面临着严重的局限性：

第一，烧结过程中，温度超过1300℃易失去相稳定性和应变耐受性；

第二，尽管7YSZ TBCs热导率低（~ 1 W m-1 K-1），但还需要进一步降低。换句话说，温度越高，越需要TBCs具有更低的的热导率及光子散射；

第三，当TBCs的表面温度高于1200℃时，发动机从大气中吸入杂质（跑道碎片，灰尘，沙子，火山灰等）融化沉积在TBCs表面形成CMAS（氧化钙-氧化镁-铝硅酸盐），并渗透进TBCs中造成其过早失效。

因此，还需要寻找一种TBCs，既结合了7YSZ的所有理想属性，又能解决上述关键问题。目前较为热门的几种TBCs成分（如Gd2Zr2O7，2ZrO2?Y2O3）不但具有更高的温度性能和较低的热导率，而且能耐CMAS的侵蚀。然而，这些成分缺少7YSZ独特的铁弹增韧机制。为了克服这个问题，目前正在研究一种多层方法，将不同的材料层置入TBCs“垛”，每层都有特定功能。例如，在较低的热导率、抗CMAS的TBC中，将一层薄薄的、坚韧的7YSZ埋在相对较冷的、容易出现故障的TBC/金属界面。然而，当CMAS存在时，故障位置会发生转移。此外，在发动机经历热偏移时，大量无处不在的异质界面会造成失效缺陷。另一种正在研究的方法是单层TBC，但存在着多个阶段，每一个阶段执行着期望的功能。某些阶段也可以执行诊断功能如TBC “健康”监测。用作飞机推进和陆基发电的燃气涡轮发动机有着不同的要求和程序，两种类型的发动机在TBCs发展方面有一些协作。

陶瓷基复合材料

TBCs的耐受温度不断提高，而镍基高温合金的承受温度能力一直保持迟缓，结果就是TBCs和高温合金的温度差距不断加大，导致需要更强的冷却系统以承受更高的气流温度，但从另一方面讲，若非跟随比功率等称量的增加，容易造成累积的效率损失（如图1b）。解决以上问题的唯一途径就是研发具有固有高温耐受性的新材料。陶瓷基复合材料（CMCs）由此应运而生，近年来颇受主流发动机制造商的投资青睐，目前已经有部分CMC组件成功用于发动机承温区域（尤其是军用发动机，CMC应用已久），包括密封片调节片等。

图2几种材料的高温机械性质。a(左)图为材料的比快速破裂强度与温度的函数关系；b(右)为500小时后的破裂强度与温度的关系。

对CMCs的研究活跃于20世纪80年代后期和90年代，但由于复杂的加工问题、较低的实际性能、过高的成本等，逐渐有衰退之势。不过对CMC持续的研究也卓有成效，GE去年宣布投资建厂生产CMC，宣称他们使用CMC高温部件的发动机预期今年后半年就可以实现商业化起飞。

CMCs本身轻质，只有高温合金的1/3，比强度和比模量高（如图2a）。相比高温合金，CMCs抗高温氧化、抗蠕变优异（图2b）。同时，CMCs有一定的耐损伤、抵抗裂纹扩展的能力。典型的CMCs有SiC纤维增强SiC陶瓷基体（SiCf/SiC）和碳纤维可用来增强SiC基体(Cf/SiC），SiCf/SiC具有一定的弱结合（注意是弱）纤维/基体界面，基体裂纹扩展时，会导致界面脱粘，其后裂纹发生偏转、搭桥、纤维断裂最终纤维拔出，这一过程会消耗大量能量，从而提高复合材料的断裂韧性，避免了材料的脆性失效。C/SiC但使用寿命显著降低（图2a），更适于高超音速、火箭发动机等方面的应用。氧化物类CMCs可抵抗氧化，但是强度较低（图2a）、不耐蠕变（图2b），一般只用于排气搅拌机等低苛刻环境部件。

（编辑：宁德站长网）

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