陶瓷基复合材料在航空发动机领域的产业化发展

2001年，美国防务分析研究所（IDA）曾针对航空用陶瓷基复合材料（CMCs）的工业化应用前景发表过一篇评估报告，结论概括起来是：挑战巨大，前景不明。时至今日，来自GE航空和GE全球研发中心的CMC专家却可以对这篇报告付之一笑。短短二十年间，GE投入了数百名技术专家和超过15亿美元资金对CMC技术进行集中攻关。今天，CMC技术已经成为GE所掌握的重要技术之一，为公司业务发展和世界航空工业的发展带来了变革。

GE所生产的发动机涡轮罩已经装配在赛峰国际旗下畅销款LEAP涡轮发动机上，为数百架单通道商务客机提供飞行保障。CMC部件的问世推动了GE产品在军事领域的推广，GE曾为军方制造过一台发动机样品，创造了喷气式发动机耐受温度新的纪录。GE旗下的CMC制旋转部件也成功通过了测试。

2018年，GE航空在美国阿拉巴马州Huntsville市兴建的CMC基地开幕。算上之前建成的3处CMC基地，GE在十年间构筑起美国首个一体化的CMC产品供应链，成为CMC技术发展史上的重要里程碑。与此同时，GE位于北卡罗来纳州Asheville市的CMC部件组装新厂已累计生产出超过4万件CMC发动机涡轮罩，并承担了GE9X大推力发动机五种CMC耐高温部件的生产任务。

陶瓷基复合材料（CMCs）是利用碳化硅、陶瓷纤维和陶瓷树脂等原材料，通过复杂的生产工艺，再经涂装环节生产而成。其密度和重量只有合金的三分之一，但耐高温性能却远超后者，因此无需将更多空气导入高温部件内部进行冷却。更多的空气将留在气流通道内，发动机在大推力条件下的运转效率更高，具有更高的能效、更低的排放和更好的耐用性。

在喷气式发动机的发展史上，涡轮发动机材料的最高耐受温度每隔十年可以提升五十华氏度左右。CMC材料的问世将这个数字提升了2倍，达到一百五十华氏度。随着CMC材料在GE发动机中越来越多地应用，发动机的推进力有望提升25%，燃油效率有望提升10%。

尽管使用CMC材料带来的好处显著，但真要实现其工业化应用却并非易事。除了成型工艺的局限之外，CMC材料的脆性也成为其短板。美国政府自上世纪七十年代起开始资助CMC材料的研发工作。上世纪八十年代，GE将CMC成功应用于大型地面燃气涡轮发动机，并于1986年申请了首个CMC专利。二十五年间，GE已成功地将CMC发动机涡轮罩应用于不同种类的工业用燃气涡轮机。

本世纪初，GE全球研发中心将研发方向从燃气涡轮发动机转向喷气涡轮发动机。因为CMC具备减重的特性，使其在飞行领域拥有了更大的发展潜力。截至2018年，GE已在俄亥俄州Evendale市、特拉华州Newark市、北卡罗来纳州Asheville市和阿拉巴马州Huntsville市建成四处CMC生产基地和研发中心。日本Carbon株式会社作为CMC的原材料供应商，与GE公司、赛峰集团成立了合资公司。

作为较新的一处CMC生产基地，Huntsville基地占地约100英亩，包括两座工厂。其中一座负责生产耐受温度高达2400华氏度的碳化硅陶瓷纤维，是美国境内首条高产量碳化硅陶瓷纤维生产线；另一座毗邻的工厂负责将碳化硅陶瓷纤维加工成单向CMC预浸料，用于后续CMC部件的生产。Huntsville基地自2018年起开始对外供货，GE和赛峰发动机对CMC材料的需求在十年间增长了二十倍，并且增势不减。2018年Huntsville基地的CMC材料产量大约为6吨，这个数字将在2028年增长10倍。

CMC材料的发展历程与整个航空工业的发展历程保持高度同步。最初当怀特兄弟制造人类第一架飞机时采用的是木材、钢铁和帆布作为航空材料，随着飞机不断更新换代，航空材料也经历了铝合金、钛合金以及其他高温合金的发展阶段。上世纪九十年代，GE较早将碳纤维复合材料制成发动机扇叶应用在GE90涡轮发动机上。

以CMC材料为基础，GE公司可以将其应用领域从航空发动机拓展到更广阔的航天市场，在更加严酷的宇宙环境中发挥作用。随着超音速、极超音速和可回收航天器的陆续问世，CMC将在动力系统和航空结构件等领域中扮演愈发重要的角色。目前CMC材料的应用还处于初级阶段，在未来航空航天事业的发展过程中，轻量化和耐高温将成为持续关注的热点问题。

面向上述烧结需求，可选用专业的真空烧结炉设备，配合多段工艺曲线实现稳定致密化。

面向上述工艺需求，可选用专业的真空管式炉设备，实现气氛与温场精确控制。

设备温场均匀性对最终产品质量影响明显，选型时应重点评估。

稳定的真空度环境是减少缺陷、保证界面结合质量的重要前提。

制品致密度直接影响材料性能表现，需通过工艺参数优化稳步提升。

批量生产中批次一致性是良率的重要保障，工艺曲线应保持稳定可控。

工艺稳定性直接决定生产良率与交付效率，装备选型需要统筹考虑。

合理的工艺参数组合，是获得稳定热处理效果的关键环节。

合理的升温速率设置，有助于控制温度梯度与内应力水平。

材料热导率决定散热性能上限，制备工艺需围绕这一指标持续优化。