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为满足新一代装备热端构件对高温、高强、高抗氧化性材料的迫切需求，长沙思云新材料科技有限公司（以下简称我公司）与国内相关院所共同开展了氧化铝陶瓷基复合材料制备燃烧室构件的技术研究。我公司通过对氧化铝陶瓷基复合材料的组分设计、制备技术与组织结构优化，突破高纯氧化铝溶胶的成分设计与合成、复合材料预制件编织、浸渍致密化、构件整体成型等关键技术，研制出符合总体应用单位测试要求的高性能氧化铝陶瓷基复合材料构件。根据新一代装备热端构件的工作环境进行复合材料服役环境性能模拟试验考核，为氧化铝陶瓷基复合材料在新一代装备领域广泛应用提供技术支撑。

本文结合近年来燃烧室构件的研制经验，进行系统总结，并对氧化铝陶瓷基复合材料的应用前景进行阐述。

一、国内外发展概述

氧化铝纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料是以高性能连续氧化铝纤维增韧氧化铝陶瓷的复合材料，具有重量轻、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高比强度等性能[1]。该复合材料具有天然的抗氧化优势，是目前空气中使用温度最高（可达到1850℃）、密度最低的结构材料。采用高纯度高性能连续氧化铝纤维增韧的陶瓷基复合材料，拉伸强度可超过350MPa，可以在空气中1800℃长时间使用。

近年来，连续氧化铝纤维实现了大规模的工业化生产（国外有美国3M公司、日本Sumitomor公司、英国ICI公司，国内有山东东珩、上海榕融公司）[2-5]，成本大大降低，使得连续氧化铝纤维增韧的氧化铝陶瓷基复合材料用作工程结构材料完全成为可能。因此，完全可以大力发展连续氧化铝纤维增强的氧化铝陶瓷基复合材料。

1.1国外氧化铝陶瓷基复合材料相关技术研究概况

国外研究高性能氧化铝陶瓷基复合材料采用的增强纤维主要为氧化铝纤维或铝硅酸盐（Aluminosilicate，AS）纤维，采用的基体主要为氧化铝、铝硅酸盐和莫来石等。德国航空中心Schneider等[6]对AS/Mullite 复合材料进行了系统的研究，已能制备和加工异形复杂构件，制备的燃烧室隔热瓦已通过模拟试验验证。美国 California大学Carelli等[7]利用浆料浸渗缠绕工艺制备了Nextel 720纤维增强多孔mullite-Al2O3复合材料，其室温拉伸强度约为149MPa，1200℃处理1000h后强度保留率高达97.3%，该技术已应用于制备复杂形状构件。

美国空军科学院Ruggles-Wrenn等[8-11]系统研究了多孔氧化铝CMC在空气、惰性气氛和水汽等环境中的蠕变行为。德国Kanka[12]对一维氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基体复合材料的高温抗热震性能进行了研究，发现材料能承受1500℃的高温环境，通过对氧化铝陶瓷基复合材料高温力学性能进行探究发现，室温和1200℃时弯曲强度相差不大，都在160MPa左右，经过1250℃/400h和1500℃/3h热处理后，复合材料弯曲强度为150MPa，且仍然表现为韧性断裂，复合材料抗氧化性能良好。Lanser等[10]对多晶氧化铝纤维增强氧化铝复合材料进行循环疲劳测试后发现，在1350℃条件下进行1.5×106次循环后仍然没有出现疲劳破坏，最大应力达到357MPa。美国亚利安科技系统公司（ATK）的子公司COI陶瓷公司制备的连续氧化铝纤维增强的氧化铝陶瓷基复合材料相关性能如表1.1[13-16]所示。

1.2国外氧化铝陶瓷基复合材料的应用

目前国外已经利用氧化铝陶瓷基复合材料制备了航空发动机的燃烧室、隔热屏、火焰稳定器、尾锥体、高压压气机罩、尾喷管涡轮外环、涡轮等部件。

1）高压压气机罩

美国通用电气公司的第一个进入服役的陶瓷基复合材料零件是：LEAP发动机第一级高压压气机罩。采用陶瓷基复合材料时，可以不像金属那样在热端部件工作时需要气冷，从而提高发动机推力和效率。

2）航空发动机尾椎体[17]

波音公司、罗-罗公司、ATK affiliate COI Ceramics和Albany Engineered Composites四家公司联合开发了氧化铝陶瓷基复合材料航空发动机尾椎体部件，零件长1625mm，直径为655mm，重仅24.5kg，是目前全球利用氧化陶瓷基复合材料制成的最大单体部件，能够有效减轻发动机自重，节约燃油。

3）外涵道与内涵道气体混气结构件[18]

金属混合器一般由钛合金或镍基合金的薄板制成，沉重且造价高昂。薄壁的金属结构在冷热交替及载荷作用下容易变形，会严重影响发动机的气体混合比例、混合效率及气动特性。氧化铝陶瓷基复合材料正好能弥补金属的缺点，能保证设计所需要的气体混合比例、混合效率及气动特性，并且能有效降低燃烧及喷射噪音。罗-罗公司认为，随着发动机温度的提高，金属混合器难以满足要求，氧化铝陶瓷基复合材料会取代现有的金属混合器。NASA、RR及COIC公司，于2010年即已开始研制RR AE3007发动机的氧化物陶瓷基复合材料混气结构件。

4）航空发动机的其他结构件

氧化铝陶瓷基复合材料在发动机的其他部位也在逐步进行试用[17， 18]，如航空发动机燃烧室内外衬、直升机用轻质排风管和空间飞行器鼻锥等。F414发动机上的尾喷管二级封严片采用了氧化铝陶瓷基复合材料，通过在尾喷管封严片安装锯齿结构，来促进发动机核心、涵道和外部气流之间的掺混，从而降低F414的全加力噪音。

1.3国内氧化铝陶瓷基复合材料的研究概况

由于氧化物纤维来源受限，国内对高性能氧化铝陶瓷基复合材料的研究较少、且以基础研究为主，离实际应用还有较大差距，采用的增韧纤维主要有国产Mullite纤维以及进口的Nextel纤维。目前国内氧化铝陶瓷基复合材料的性能与国外还存在很大的差距，公开报道的连续氧化铝纤维增韧的氧化铝陶瓷基复合材料致密度相对较低，弯曲强度在100～150MPa级别。由于该技术具有很强的先进性与保密性，在公开资料中没有找到国内单位在航空发动机领域开展氧化铝陶瓷基复合材料应用级研究的报道。

二、氧化铝陶瓷复合材料构件研制介绍

2.1 构件研制概况

近年来，我公司与国内相关院所进行深入合作，开展了氧化铝复合隔热屏结构件等研制，完成研制的构件均已通过总体单位的热力联合测试。

扇形隔热屏整体呈扇形，厚度3mm为薄壁异形件，长617mm，宽430mm，高167mm。扇形隔热屏组件由扇形隔热屏与附属钣金件组成，总体数模如图2.1所示。

结合受力分析，采用铺层针刺缝合的编织工艺，扇形隔热屏经过编织浸渍后成型，如图2.2所示。

隔热屏表面均匀分布460个气膜孔，孔径1.5mm，气膜孔与法线方向成45°夹角，如采用机加工打孔，对构件强度影响较大；气膜孔预留法能够提前预制孔位，氧化铝纤维绕开气膜孔编织，提高构件的完整性。扇形隔热屏的致密化与陶瓷化烧结工艺与缩比隔热屏相同，经过五轴加工中心制备安装孔后，扇形隔热屏成品如图2.3所示。

扇形隔热屏钣金件按照隔热屏实际尺寸仿形制造，将钣金件与隔热屏安装后，扇形隔热屏组件如图2.4所示。

扇形隔热屏交货后制备热电偶槽，并采用高温陶瓷胶粘接热电偶，热力联合测试结果达到总体单位要求。

2.2 研制工艺改进情况

在构件制备过程中，我公司总结不同类型构件的研制经验，活用编织、成型工艺，在不同类型构件中获得成功应用；另外，根据总体单位的要求，改进编织方法、溶胶配比等对产品性能进行改进。

1）编织工艺的灵活运用

对于不同类型的构件，结合不同的应用场景、受力分析，适用不同的编织工艺，例如等厚度薄壁构件，适合采用针刺缝合工艺以提升编制效率。对于变直径构件，由于普通编织方法法向强度不够，可能导致构件分层，且构件在外模作用下容易产生皱褶，导致纤维断裂降低构件力学性能，采用2.5D编织方法编织周向型构件经过机加工仍能保持纤维的连续性，维持构件的整体强度，2.5D编织结构如图2.5所示。

2）成型工艺的设计

根据构件不同的结构型式，采用不同的成型工艺。对于等厚结构，采用内外阴阳模成型工艺，不需要进行机加，最大程度保留纤维强度，提升构件性能。

另外，薄壁件在烧结过程中易变形，导致构件与钣金件发生过盈配合，通过设计烧结定型模具避免构件的热变形，模具如图2.6所示，如图可见烧结后构件十分贴合模具。

3）材料性能改进

从缩比隔热屏和扇形隔热屏的测试中，构件成功通过测试，性能达到总体单位要求，氧化铝复合陶瓷热导率偏低，在局部受热时可能导致热应力集中，因此氧化铝复合陶瓷导热系数有提高的需求。

氧化铝陶瓷基复合材料的导热系数与编织方式息息相关，通过2.5D编织方式制备了测试构件，采用导热系数测试仪测试了材料导热系数由0.6W/m·K，提升到1.1W/m·K。

三、展望

氧化铝陶瓷基复合材料在航空发动机领域具有广阔的应用前景，从过往的构件研制过程中，印证了它的应用潜力，在今后的工作中，将从以下几点开展工作。

1）持续开展连续氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的工艺研发、技术改进工作，提高复合材料的热学、力学性能，争取达到国际领先地位；

2）维持与航空航天单位的紧密合作，积极开展构件研制工作，建立健全的材料低高阶数据数据库。推动连续氧化铝纤维增强的氧化铝陶瓷基复合材料的广泛应用，达到较高的使用成熟度。

3）与总体单位合作，制备氧化铝复合陶瓷构件，通过实物装机的服役状态测试考核，满足总体单位关于构件使用寿命的需求；开展构件的量产、批产工作，最终在航空航天领域广泛应用，支持国防建设工作；

4）整理具有开创性的制备工艺、技术开发工作，申报并获取相关发明专利、实用新型专利。

参考文献：

[1]王义，刘海韬，程海峰，王军。氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的研究进展。无机材料学  报，2014，29： 673-680。

[2]Schawaller D， Clauß B， Buchmeiser M R. Ceramic filament fibers–a review. Macromolecular Materials and Engineering， 2012， 297： 502-522.

[3]3M Nextel™ ceramic textiles technical notebook. 3M Center， 2004.

[4]东珩国纤产品手册，山东东珩国纤新材料有限公司，2024.

[5]产品手册，上海榕融新材料科技有限公司，2024.

[6]Schneider H， Schreuer J，  Hildmann B.  Structure and properties of mullite-a review. Journal of the European Ceramic Society， 2008， 28： 329-344.

[7]Carelli E A V， Fujita H， Yang J Y， et al. Effects of thermal aging on the mechanical properties  of a porous-matrix ceramic composite. Journal of the American Ceramic Society， 2002， 85： 595-602.

[8]Ruggles-Wrenn M B， Musil S S， Mall S， et al. Creep behavior of NextelTM 610/monazite/alumina composite at elevated temperatures. Composites Science and Technology， 2006， 66： 2089-2099.

[9]Ruggles-Wrenn M B， Genelin C L. Creep of NextelTM720/alumina-mullite ceramic composite at 1200 oC in air， aigon， and in steam， Composites Science and Technology， 2009， 69： 663-669.

[11]10]Lanser R L， Ruggles-Wrenn M B. Tension-compression fatigue of a NextelTM720/alumina composite at 1200 oC in air and in steam， Applied Composite Materials， 2016， 23： 707-717.

[12]Ruggles-Wrenn M B， Lanser R L. Tension-compression fatigue of an oxide/oxide ceramic composite at elevated temperature， Materials Science & Engineering A， 2016， 659： 270-277.

[13]Kanka B， Schneider H. Aluminosilicate fiber/mullite matrix composites with favorable high-temperature  properties， Journal of the European Ceramic Society， 2000， 20： 619-623.

[14]Robert A J， Steven C B. Advances in oxide-oxide CMC. Transactions of the ASME， 2000， 122： 202-205.

[15]Marshall D B， Davis J B. Ceramics for future power generation technology： fiber reinforced oxide composites. Current opinion in solid state and materials science， 2001， 5： 283-289.

[16]Frank W Z. Developments in oxide fiber composites， Journal of the American Ceramic Society， 2006， 89： 3309-3324.

[17]Mechnich P， Braue W. Air plasma-sprayed Y2O3 coatings for Al2O3/Al2O3 ceramic matrix composites. Journal of the European Ceramic Society， 2013， 33： 2645-2653.

[18]Krenkel W （Eds.）. Ceramic matrix composites： fiber reinforced ceramics and their applications. Weinheim： WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGa A， 2008.

[19]Jurf R A， Butner S C. Advances in all-oxide CMC. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 2000， 122： 202-205.