Cf/SiC 陶瓷基复合材料在航天领域的应用

  连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料由于具有高比强、耐高温抗氧化和对缺陷不敏感等特性广泛应用于航空、航天、耐火材料等领域,如在航空航天发动机热端部件燃气发动机、喷嘴热电偶保温管散热绝缘基片封装材料、耐高温涂层、发热元件、火箭头部雷达天线罩等部位都有应用。由于Cf/SiC陶瓷复合材料耐热冲击性高,对液体推进剂化学稳定性高,比金属材料耐高温,具有较高的抗蠕变性,作为耐烧蚀材料和高温结构材料在国外多种火箭发动机上得到广泛应用。

  法国SEP公司从1970年开始进行连续纤维增强SiC基陶瓷复合材料技术研究,率先突破了SiC陶瓷基体的化学气相渗透(CVI)工艺技术,研制的Cf/SiC陶瓷复合材料性能比传统陶瓷断裂韧性有很大提高,克服了传统陶瓷材料脆性大、容易发生灾难性破坏的致命弱点,并实现了Cf/SiC材料的产业化。SEP公司生产的Cf/SiC复合材料95%采用CVI致密工艺制备,已用于“使神号”航天飞机小翼、方向舵和襟翼材料。SEP公司制造的阿里安-4第三级液氢液氧推力室,Cf/SiC复合材料整体喷管,与金属喷管相比,减重66.6%。继法国之后,美国、日本和俄罗斯也相继开始了连续纤维增强陶瓷复合材料技术研究。

  日本不断改进SiC陶瓷先驱体合成技术和先驱体浸渍裂解工艺技术,开发出陶瓷产率高达85%的SiC先驱体树脂和100MPa高压裂解工艺,极大地缩短了Cf/SiC陶瓷复合材料的制备周期,从而实现了工程化应用。目前,日本Cf/SiC陶瓷复合材料已在燃气透平、液体发动机燃烧室和推力室、冲压发动机、涡扇发动机喷管、航天飞行器热防护结构(TPS)、燃气管路阀门等领域得到广泛应用。

  低成本化一直是美国陶瓷复合材料研究的一个重要方向。道康宁公司(DC)开展了短周期的PIP工艺技术研究,橡树岭国家实验室(ORNL)开发了压力温度梯度CVI技术,使平板和管材Cf/SiC复合材料的制备周期缩短90%以上。

  与耐高温金属材料相比,Cf/SiC陶瓷基复合材料的优点主要表现为:无须冷却,简化了结构设计;密度低(仅为难熔重金属密度的1/3~1/4),大幅度减轻了结构质量;提高了工作温度和抗氧化性能。与C/C复合材料相比,Cf/SiC复合材料的优越性在于耐磨,导热系数高抗氧化。但是,随着航空航天科技的发展对材料的性能提出了越来越高的要求,Cf/SiC复合材料作为高温结构材料在研究和应用中仍然存在一系列的问题有待解决。