航空方面，作為飛機“心臟”的航空發(fā)動機，其使用工況十分復雜，且對使用壽命的要求極高;與飛機比較，關鍵熱端部項材料的使用溫度更高，通常達到1000℃以上;與航天比較，材料的使用壽命需更長，一般要求達到3000h以上。因此，航空發(fā)動機的材料體系，需要能夠同時滿足高溫、長壽命的使用要求，是非常有限的。然而逐漸發(fā)展成熟的碳化硅陶瓷基復合材料(CMC-SiC)正在成為一種理想的候選材料。

CMC-SiC復合材料在國外航空發(fā)動機中的應用

CMC-SiC指碳化硅纖維增強碳化硅(SiC/SiC)和碳纖維增強碳化硅(C/SiC) 。CMC-SiC是一種輕質、耐高溫、冷卻少甚至無需冷卻的新型復合材料，是目前國際公認的最具發(fā)展?jié)摿Φ陌l(fā)動機熱端部項材料之一，即保留了纖維耐高溫、高強、高模、耐腐蝕、抗蠕變、材料熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，同時又克服了陶瓷材料抗沖擊性能差、斷裂韌性低的缺陷。

目前，C/SiC和SiC/SiC材料己然引起美國、日本、德國、法國等航空發(fā)達國家的普遍關注，歷經(jīng)二十多年目前仍在繼續(xù)研究。在制備工藝方面，主要的制備工藝有熱壓燒結法(HPS),反應燒結法(BB)、漿料浸滲/熱解法(SIFIP)、反應熔體滲透法(RMD、先驅體浸漬熱解法(PIP)和化學氣相滲透法(CVI)以及PIP-HP法、CVI-RMI法和CVI-PIP法等。美國以CVI, PIP技術為主，制備水平較高;日本擁有世界領先的連續(xù)碳化硅纖維制備技術，制備碳化硅復相陶瓷以PIP法為主，SiC/SiC的研究制備水平較高;德國以RMI和PIP技術為主，RMI技術世界領先;法國的CVI技術處于世界領先地位;我國以CVI, PIP, RMI技術為主，材料性能己達到國際領先水平。

在應用方面，經(jīng)研究及考核結果表明，CMC-SiC可使中溫中等載荷靜止項(內錐體、密封片/調節(jié)片等)減重50%以上，并顯著提高其使用壽命，總的來說，目前，中溫中等載荷靜止項(內錐體、密封片/調節(jié)片等)己完成全壽命驗證并進入實際應用和批量生產階段;高溫中等載荷靜止項(導向葉片、渦輪外環(huán)、火焰穩(wěn)定器、火焰筒等)正進行全壽命驗證，有望進入實際應用階段;而高溫高載荷轉動項(渦輪葉片、轉子等)尚處于探索研究階段，使用壽命與應用要求相距甚遠;而我國在應用方面的研究尚處于起步階段，與發(fā)達國家差距較大。

在航天方面，隨著科技的發(fā)展，高超聲速飛行器飛行速度己經(jīng)達到5馬赫數(shù)以上，飛行器表面溫度會超過1000℃，傳統(tǒng)的熱防護材料己經(jīng)不能滿足需求，超高溫材料成為新的研究熱點。碳化物超高溫陶瓷具有熔點高及抗熱震穩(wěn)定性好等良好的化學與力學穩(wěn)定性，能夠適應超高音速長時飛行、大氣層再入、跨大氣層飛行與火箭推進系統(tǒng)等極端環(huán)境，可以被應用于機翼前緣、鼻錐、發(fā)動機熱端等各種關鍵部項。作為應用在航天飛行器上的重要材料，碳化物超高溫陶瓷材料得到各國的高度關注。

高超音速飛行器

目前常見的碳化物超高溫陶瓷主要有碳化鋯(ZrC),碳化鉭(TaC)和碳化鉿(HfC)，以及以其為基體的陶瓷基復合材料或復相材料。這三種物質的熔點3000℃以上，具有優(yōu)良的熱化學穩(wěn)定性、物理性能，包括高彈性模量、高硬度、低飽和蒸汽壓、適中的熱膨脹率和良好抗熱震性能等，能在高溫下保持很高的強度。并且，以其作為高溫抗氧化燒蝕涂層技術在航空航天領域的應用也受到各個國家的普遍關注，它是一種外部涂層保護方法，保護原理是將制備各類涂層使材料與氧化燒蝕環(huán)境隔離開，阻止碳和氧發(fā)生反應。如，SUN W等人在C/C復合材料表面采用化學氣相沉積法沉積ZrC陶瓷涂層，能夠有效阻止氧向C/C集體進一步擴散。

4米口徑高精度碳化硅非球面反射鏡

此外，由于CMC-SiC無法長期在1700℃以上的氧化環(huán)境中使用，因此可采用ZrC，TaC等超高溫陶瓷材料對其進行涂層改性或基體改性，以發(fā)展更加耐高溫、長壽命以及結構功能一體化的新型超高溫材料。如今我國己然擁有CMC-SiC超高溫改性技術基礎。而SiC陶瓷材料是目前主要的航天反射鏡材料，廣泛應用于航空、航天的掃描鏡、反射鏡、光學系統(tǒng)等。我國己開發(fā)出4米大口徑碳化硅反射鏡，但應用最廣泛的仍是1.5米大口徑碳化硅反射鏡。

參考資料：《航空航天用碳化物先進陶瓷材料專利分析研究》