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美国橡树岭国家实验室研发陶瓷基复合材料应用于航空喷气发动机

2017-01-16 417浏览 标签: 陶瓷基复合材料美国橡树岭航空

陶瓷基复合材料(CMC)具有强度高、重量轻、耐高温性能好的特点。如果某些特定部件是用陶瓷基复合材料代替金属合金制作,那么飞机的涡轮发动机和发电厂便可以在高温下更有效地工作、提高燃料的燃烧效率,同时还可减少污染物的排放。

在美国能源部橡树岭国家实验室的领导下,美国展开了对CMC材料的研发工作。CFM国际公司(赛峰和GE各占50%的合资公司)研发的LEAP新型航空发动机,成为第一个广泛应用CMC材料的产品。航空发动机护罩衬最热端采用的便是CMC部件,其工作温度高达2400°F。与镍基高温合金相比,CMC组件需要的冷却空气更少。


图: LEAP航空发动机

GE全球研发CMC组件的负责人表示:“在美国能源部相关项目中研发的新材料,成为CMC材料进入航空发动机领域的基础”。目前,GE主要应用溶体浸渗工艺大规模生产CMC组件。到2020年其生产能力将达到36000个高质量发动机护罩(每个LEAP发动机需要18个护罩部件)。

陶瓷基复合材料与几乎所有其它复合材料都不同,通常将两种脆性材料结合在一起,也会产生一种脆性材料。但是通过改变纤维与基材之间的联结,便可以优化材料的特性。

目前研发人员正在努力实现将CMC材料应用于其它工业领域,包括高压热交换器、陆基涡轮机、渗碳炉以及辐射燃烧器等。

研发人员表示,每十年耐热金属可承受的温度会提高50度。目前CMC材料可承受的温度为2400°F,科研人员希望下一代可以达到2700°F。为了完成这一挑战,美国先进陶瓷协会正在建立一个行业驱动路线图,研发应用于先进燃气轮机的CMC材料(2700°F)。  


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