航空航天领域没有易事 高温陶瓷材料潜能大

对于远离前缘的主要结构，可以采用CMCs外层作为TPSs（热保护系统），外部再涂覆陶瓷涂层进行温度扩散，涂层需要在全厚度方向绝缘，但同时具有高的热导率，便于传热冷却。要满足以上要求，在涂层设计方式和加工工艺方面还需要不断改进。

火箭发动机

图5中空结构CMCs制造的火箭喷嘴组件。

火箭发动机中的自由热气流温度可达到3300℃，目前能可重复利用的火箭发动机部件（燃烧室、喷嘴等）主要为金属材质，需要由燃料在燃烧室路径上不断进行冷却。然而，目前对发动机的推重比要求越来越高，需求也在不断增长，CMCs是一个很有吸引力的候选材料。图5为商业化带有内部冷却通道的CMC火箭发动机喷嘴。在这种环境下，ICTSs由于可以对充分致密的3D C/SiC CMC导管进行排列（图5c），在制造更轻火箭发动机方面拥有很大优势。导管整齐地编织在一起（图5b），基体浸渍后，无冷却剂渗透的导管可以承受高应力以及极端的温度梯度（＞1700℃?mm-1）。以上可再生冷却的管状ICTS已在实验室测试成功，不过ICTS基的火箭发动机仍处于试验中。改良的加工工艺、表征手段、测试、模化能力都需要提高，也需要更高的热强度、抗基体破裂性、热导率以及承温能力的新型复合材料，来扩展设计空间， ICTS基火箭发动机才可能早日投入飞行使用。

展望

材料仍然是实现航天梦的最大瓶颈，不过也为新材料出现、设计和制造创新带来了机遇。在实现航空设想上，先进结构陶瓷无疑扮演了一个重要的角色。而大多数情况下，直接用CMC代替目前的推进系统中的金属组件并不能充分利用先进陶瓷的潜能。

因此，以下几点需要做考虑：第一，对整体系统重新设计是很有必要，这就需要充分了解和明确系统整体组件的固有性能以及功能需求。第二，进行分层结构的组分设计，增加多重长度范围内的体系复杂性也很有必要，这包括组分陶瓷以及整体。第三，现有的材料并不能满足整体需要的性能，新型陶瓷组成体系有待加速开发；第四，加工制造仍然是个挑战，不过也留下了广阔的创新空间；第五，目前大量的实际发动机环境下的成分标准测试花费巨大，还需要开发一些可靠的能够描述组成陶瓷、整体效果乃至部件的多尺度（长度/时间）物理和机械行为模型；第六，就需要进行复杂的非原位、原位及现场原位的多尺度表征，组分陶瓷、整体及部件的典型多尺度测试，以便验证上述模型。

不过，目前缺少可替代的对特定成分标准的实验论证，能够使系统设计人员充分了解先进结构陶瓷工作中的各项性能，以及带来一种文化的转变。以上这种集成的设计——模化——试验——制造方法，横跨陶瓷——整体——组件——系统四个层级，融合了材料整合计算工程、材料基因组计划范式。先进结构陶瓷正在一步步重塑航天（航空）动力的未来，而这需要加速发展上述范式，尤其要充分利用其潜在的优势。

（编辑：宁德站长网）

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