国产 6 代航空发动机关键部件成功首飞，陶瓷基复合材料引发关注 复材云集|复合材料

2022新年伊始，国产航空发动机就传来好消息。西北工业大学研制的国产陶瓷基复合材料整体涡轮盘成功完成首次空中验证。这个试验表明国产陶瓷基复合材料在航空发动机之中的运用取得了突破性进展，为以后用陶瓷基复合材料制造航空发动机高温压气机打下了坚实的基础。

陶瓷基复合材料是未来航空发动机最有前景的材料之一，是提高航空发动机性能的关键材料。一般认为当发动机推得比达到或者超过15的时候，就需要采用陶瓷基复合材料这样的先进材料确保发动机性能达标。

航空发动机结构示意图，其中涡轮就是高温涡轮

众所周知，航空发动机属于热机。它的推力来源于空气受热膨胀产生的能量。因此决定发动机推力的一个关键指标就是进/排气口温度差，两者差距越大，空气膨胀程度越高，产生的能量相应也就越大。由于空气温度在一定条件下是不变的，因此提高发动机推力很大程度由排气口温度决定。不过排气口温度也有约束条件，那就是高温涡轮承受能力。当炽热的燃气冲出燃烧室碰到第一个部件就是高温涡轮，高温涡轮利用燃气获得能量，带动高压压气机工作，所以高温涡轮能够承受的温度直接决定着1台航空发动机性能，现代航空发动机性能提高很大程度围绕着提高（高温）涡轮前温度进行的。

航空发动机技术人员认为发动机涡轮前温度提高100度，发动机推力可以提高20%左右，可以说效果显著。第四代航空发动机涡轮前温度已经达到1800度，这个温度接近金属材料的极限，再往上发展非常困难。根据业内人士预测，第6代战斗机采用的高推重比发动机涡轮前温度将会突破2000度，这样就对高温涡轮提出了更高的要求。制造耐温度能力更强、重量更轻、使用寿命更高的高温涡轮就成为第6战斗机发动机瓶颈，而陶瓷基复合材料就是制造这种高温涡轮的关键材料。

陶瓷基复合材料发动机部件

利用陶瓷基复合材料制成的高温涡轮可以提高涡轮前温度，增加发动机推力。由于燃料室温度更低，燃料燃烧更加充分，能量释放更多，也有利于降低油耗。还有一点非常重要，陶瓷材料重量轻，制成的发动机部件也更轻，可以降低发动机重量，得到更高的推重比。对于飞机来说，发动机重量降低，飞机结构重量也会降低，进一步提高飞机的整机推重比。

此次试飞的是陶瓷基复合材料涡轮盘，它与涡轮叶片构成高温涡轮，而高温涡轮又是航空发动机核心机关键部件之一。现代航空发动机核心机主要包括高压压气机、燃烧室和高温涡轮，是发动机关键部件。一般认为航空发动机核心技术完成之后，1台航空发动机研制工作等于完成了80%。因此外界推测国产第6代战斗机发动机，也就是高推重比发动机已经进入关键部件研制阶段，预计2025年之后可以完成核心机，2030年进入整机研制阶段。第6代战斗机发动机取得的技术成果还可以用来改进和提高现有航空发动机，增强它们的性能。

其他陶瓷基复合材料发动机

CFM公司配装陶瓷基复合材料（CMC）高压涡轮罩环的Leap-1A民用涡扇发动机，于2015年5月19日在新的空客A320neo飞机上成功完成了首飞，表明CMC在航空发动机热端部件应用取得新突破。CMC应用于发动机的热端部件也得到了极大的研究关注。

该发动机采用了CMC高压涡轮罩环（环绕高压涡轮转子叶片、阻止涡轮叶尖热排气泄漏的静止环形密封件），是CMC首次实际应用于发动机核心机部件，部件重量比用传统材料减轻上百千克。CMC高压涡轮罩环已完成了2万多小时的部件及整机试验，试验表明能极大地减少从压气机引出的冷气需求量，提高发动机推力，并降低燃油消耗量1.5%以上。

此外，我国的WS-15"峨眉" 涡扇发动机，装有先进的陶瓷基复合材料的尾喷管调节片；F119涡扇发动机采用了高温树脂基材料外涵机匣以及用陶瓷基复合材料或碳-碳材料的一些静止结构；M88涡扇发动机喷口调节片用碳化硅基陶瓷材料制造；F414涡轮发动机的尾喷管二级封严片是用陶瓷基复合材料（CMC）制造的。

国内部分陶瓷基复合材料研究机构

中国科学院上海硅酸盐研究所陶瓷基复合材料课题组：该课题组成立于2005年，自此在先进碳化物陶瓷基复合材料领域开展了深入系统的研究，在陶瓷基复合材料设计、成型、致密化、性能调控等方面取得了大量的成果，从材料预制体结构设计、界面结构和功能优化、基体改性与性能调控等方面出发，开发了一系列具有优异特性的碳化物陶瓷基复合材料及其关键制备技术，实现了碳化物陶瓷基复合材料可控制备和应用。

山东省陶瓷基复合材料工程技术研究中心：该研究中心利用国家新材料成果转化及产业化基地的技术支持单位的优势，积极吸引国内外新材料（特别是复合材料和高技术陶瓷）方面的成果，利用中心的优势进行转化及开发，并尽快实现产业化，使陶瓷基复合材料和高技术陶瓷在市场竞争中取得优势；同时适度研发金属基复合材料、碳/碳基复合材料、聚合物基复合材料、功能复合材料，带动区域经济的发展。

西北工业大学陶瓷基复合材料工程中心：该工程中心以获得国家技术发明一等奖的技术为核心，以国防重点实验室为依托，面向工程应用和产业化发展的新尝试、新平台。

陶瓷基复合材料团队作为超高温结构复合材料重点实验室的核心支撑团队，创立二十年来始终坚持从事陶瓷基复合材料的制造和应用技术研究，是国内该技术领域的开创者和该材料工程应用的引领者。该团队被首批授予国防科技工业优秀科技创新团队称号。以陶瓷基复合材料团队为主体的超高温结构复合材料团队入选首批教育部创新团队、获国家自然科学基金委创新研究群体项目两次延续支持，并获国防科技创新团队奖。（来源：网易新闻、材料+、CERADIR先进陶瓷在线、荣格等综合整理）

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