2022新年伊始，國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)就傳來好消息。西北工業(yè)大學(xué)研制的國(guó)產(chǎn)陶瓷基復(fù)合材料整體渦輪盤成功完成首次空中驗(yàn)證。這個(gè)試驗(yàn)表明國(guó)產(chǎn)陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)之中的運(yùn)用取得了突破性進(jìn)展，為以后用陶瓷基復(fù)合材料制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫壓氣機(jī)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

陶瓷基復(fù)合材料是未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)最有前景的材料之一，是提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵材料。一般認(rèn)為當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推得比達(dá)到或者超過15的時(shí)候，就需要采用陶瓷基復(fù)合材料這樣的先進(jìn)材料確保發(fā)動(dòng)機(jī)性能達(dá)標(biāo)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，其中渦輪就是高溫渦輪

眾所周知，航空發(fā)動(dòng)機(jī)屬于熱機(jī)。它的推力來源于空氣受熱膨脹產(chǎn)生的能量。因此決定發(fā)動(dòng)機(jī)推力的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)就是進(jìn)/排氣口溫度差，兩者差距越大，空氣膨脹程度越高，產(chǎn)生的能量相應(yīng)也就越大。由于空氣溫度在一定條件下是不變的，因此提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力很大程度由排氣口溫度決定。不過排氣口溫度也有約束條件，那就是高溫渦輪承受能力。當(dāng)熾熱的燃?xì)鉀_出燃燒室碰到第一個(gè)部件就是高溫渦輪，高溫渦輪利用燃?xì)猥@得能量，帶動(dòng)高壓壓氣機(jī)工作，所以高溫渦輪能夠承受的溫度直接決定著1臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高很大程度圍繞著提高（高溫）渦輪前溫度進(jìn)行的。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)人員認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度提高100度，發(fā)動(dòng)機(jī)推力可以提高20%左右，可以說效果顯著。第四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度已經(jīng)達(dá)到1800度，這個(gè)溫度接近金屬材料的極限，再往上發(fā)展非常困難。根據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，第6代戰(zhàn)斗機(jī)采用的高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度將會(huì)突破2000度，這樣就對(duì)高溫渦輪提出了更高的要求。制造耐溫度能力更強(qiáng)、重量更輕、使用壽命更高的高溫渦輪就成為第6戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)瓶頸，而陶瓷基復(fù)合材料就是制造這種高溫渦輪的關(guān)鍵材料。

陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)部件

利用陶瓷基復(fù)合材料制成的高溫渦輪可以提高渦輪前溫度，增加發(fā)動(dòng)機(jī)推力。由于燃料室溫度更低，燃料燃燒更加充分，能量釋放更多，也有利于降低油耗。還有一點(diǎn)非常重要，陶瓷材料重量輕，制成的發(fā)動(dòng)機(jī)部件也更輕，可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量，得到更高的推重比。對(duì)于飛機(jī)來說，發(fā)動(dòng)機(jī)重量降低，飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量也會(huì)降低，進(jìn)一步提高飛機(jī)的整機(jī)推重比。

此次試飛的是陶瓷基復(fù)合材料渦輪盤，它與渦輪葉片構(gòu)成高溫渦輪，而高溫渦輪又是航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)關(guān)鍵部件之一。現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)主要包括高壓壓氣機(jī)、燃燒室和高溫渦輪，是發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件。一般認(rèn)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)完成之后，1臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作等于完成了80%。因此外界推測(cè)國(guó)產(chǎn)第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，也就是高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)進(jìn)入關(guān)鍵部件研制階段，預(yù)計(jì)2025年之后可以完成核心機(jī)，2030年進(jìn)入整機(jī)研制階段。第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)取得的技術(shù)成果還可以用來改進(jìn)和提高現(xiàn)有航空發(fā)動(dòng)機(jī)，增強(qiáng)它們的性能。

其他陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)

CFM公司配裝陶瓷基復(fù)合材料（CMC）高壓渦輪罩環(huán)的Leap-1A民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，于2015年5月19日在新的空客A320neo飛機(jī)上成功完成了首飛，表明CMC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件應(yīng)用取得新突破。CMC應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件也得到了極大的研究關(guān)注。

該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了CMC高壓渦輪罩環(huán)（環(huán)繞高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片、阻止渦輪葉尖熱排氣泄漏的靜止環(huán)形密封件），是CMC首次實(shí)際應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)部件，部件重量比用傳統(tǒng)材料減輕上百千克。CMC高壓渦輪罩環(huán)已完成了2萬多小時(shí)的部件及整機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明能極大地減少?gòu)膲簹鈾C(jī)引出的冷氣需求量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力，并降低燃油消耗量1.5%以上。

此外，我國(guó)的WS-15"峨眉" 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，裝有先進(jìn)的陶瓷基復(fù)合材料的尾噴管調(diào)節(jié)片；F119渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)采用了高溫樹脂基材料外涵機(jī)匣以及用陶瓷基復(fù)合材料或碳-碳材料的一些靜止結(jié)構(gòu)；M88渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)噴口調(diào)節(jié)片用碳化硅基陶瓷材料制造；F414渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管二級(jí)封嚴(yán)片是用陶瓷基復(fù)合材料（CMC）制造的。

國(guó)內(nèi)部分陶瓷基復(fù)合材料研究機(jī)構(gòu)

中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所陶瓷基復(fù)合材料課題組：該課題組成立于2005年，自此在先進(jìn)碳化物陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域開展了深入系統(tǒng)的研究，在陶瓷基復(fù)合材料設(shè)計(jì)、成型、致密化、性能調(diào)控等方面取得了大量的成果，從材料預(yù)制體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、界面結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)化、基體改性與性能調(diào)控等方面出發(fā)，開發(fā)了一系列具有優(yōu)異特性的碳化物陶瓷基復(fù)合材料及其關(guān)鍵制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了碳化物陶瓷基復(fù)合材料可控制備和應(yīng)用。

山東省陶瓷基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心：該研究中心利用國(guó)家新材料成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化基地的技術(shù)支持單位的優(yōu)勢(shì)，積極吸引國(guó)內(nèi)外新材料（特別是復(fù)合材料和高技術(shù)陶瓷）方面的成果，利用中心的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化及開發(fā)，并盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，使陶瓷基復(fù)合材料和高技術(shù)陶瓷在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)；同時(shí)適度研發(fā)金屬基復(fù)合材料、碳/碳基復(fù)合材料、聚合物基復(fù)合材料、功能復(fù)合材料，帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

西北工業(yè)大學(xué)陶瓷基復(fù)合材料工程中心：該工程中心以獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)的技術(shù)為核心，以國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為依托，面向工程應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的新嘗試、新平臺(tái)。

陶瓷基復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)作為超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的核心支撐團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)立二十年來始終堅(jiān)持從事陶瓷基復(fù)合材料的制造和應(yīng)用技術(shù)研究，是國(guó)內(nèi)該技術(shù)領(lǐng)域的開創(chuàng)者和該材料工程應(yīng)用的引領(lǐng)者。該團(tuán)隊(duì)被首批授予國(guó)防科技工業(yè)優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)稱號(hào)。以陶瓷基復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)為主體的超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)入選首批教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、獲國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目?jī)纱窝永m(xù)支持，并獲國(guó)防科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)。（來源：網(wǎng)易新聞、材料+、CERADIR先進(jìn)陶瓷在線、榮格等綜合整理）

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