陶瓷基复合材料及其在喷气式发动机中的应用

陶瓷基复合材料（CMC）被设想为金属合金的轻量化替代品，其密度接近材料的三分之一，但具有优越的物理和热性能。材料技术的进步使CMC成为大量高温应用的热门选择，包括其在内部发动机部件中的使用。

现代涡轮风扇发动机的燃烧室和排气系统使用基于陶瓷基复合材料的内衬和面板。随着内部温度接近1700摄氏度，喷气发动机需要特殊的材料来进行有效的热管理。

陶瓷基复合材料是嵌入陶瓷基体中的陶瓷纤维和陶瓷基体的组合。从碳-碳到碳-碳化硅和铝，CMC可采取各种组合形式。在CMC制造过程中，纤维在被基体材料浸润之前以所需的形状或形式堆积。

除了预先成型的铺层，纤维的固定也可以通过连续缠绕、编织或打结来实现。沉积基体材料后，进行必要的加工。进一步的处理，如涂层或浸渍，可根据材料要求进行。

燃气涡轮发动机中使用的陶瓷基复合材料通常由碳化硅、陶瓷纤维和陶瓷树脂制成。这些都是通过复杂的渗透工艺制造的，并通过涂层进一步增强。这种复合材料提供非常高的抗热震性和冲击韧性。

CMC在喷气式发动机上的应用

通用电气(GE)全球研究中心和通用航空公司一直在为各种商用和军用发动机的热部件开发CMC技术。燃烧室、高压涡轮和喷嘴的主要部件都是用CMC制造的。根据通用电气的说法，由CMC制成的GE涡轮罩目前已成功应用于CFM国际公司（GE和赛峰飞机发动机公司各占50%的合资公司）生产的最畅销的LEAP涡扇发动机的最热门部分，该发动机为数百架单通道商用喷气客机提供动力。

劳斯莱斯致力于通过在其发动机的各个位置使用CMC技术来提高喷气发动机的性能。与传统金属合金相比，CMC的质量密度更低，因此发动机的总重量大大减轻。根据劳斯莱斯的说法，CMC为一系列高科技行业提供了多种优势，例如航空航天和其他对热学和机械要求苛刻的应用。CMC具有陶瓷的耐高温性能，具有燃气涡轮发动机应用所需的强度和可靠性，而重量比目前的合金轻。

CMC优越的耐热性使发动机能够实现更低的燃油消耗，从而产生更少的排放和更低的噪音。劳斯莱斯将CMC技术应用于各种发动机项目，包括UltraFan的核心设计。

由于其优异的热性能，CMC组件比传统的镍基组件需要更少的冷却。因此，多个冷却通道可以最小化或消除，以实现更直接的设计。通用电气生成，去除冷却空气可以使喷气发动机以更高的推力或更高效地运行。在涡轮发动机上结合CMC的独特性能可以提高发动机的耐用性，并减少对冷却空气的需求。这些优点提高了燃烧器效率，降低了燃料消耗。

如今，高效率喷气发动机的温度比以往任何时候都要高，经常超过传统材料的极限。使用CMC可以使制造商在减少数百磅发动机重量的同时获得最佳的热性能。