5.5.2 高性能陶瓷的研究和应用
高性能陶瓷是指以精制的高纯、超细人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的制备工艺烧结，具有远胜过以往传统陶瓷性能的新一代陶瓷，又称为先进陶瓷、精细陶瓷、新型陶瓷或高技术陶瓷。
目前，使用较为广泛的陶瓷基复合材料有碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基（SiC/SiC）复合材料以及碳纤维增强碳化硅陶瓷基（C/SiC）复合材料两种。而SiC/SiC复合材料的研究最为广泛，其使用温度可达1450℃以上，高温强度大且质量轻、耐腐蚀，众多优点可改善发动机的性能，因此可用于长寿命航空发动机、核能包壳材料等领域。
日、美等国在SiC纤维和SiC/SiC复合材料的工程产业化方面走在世界前列。国际普遍认为，SiC陶瓷基复合材料是发动机高温结构材料的技术制高点之一，反映出一个国家先进武器装备的设计与制造能力。为了研究陶瓷基复合材料在航空发动机热端部位的应用，美、日等发达国家先后推出了一系列国家级的研究计划与项目，包括IHPTET项目、UEET项目以及AMG项目等。
美国空军在1989—2005年的“综合高性能涡轮发动机技术”（IHPTET）计划，开发的陶瓷基复合材料（CMC）矢量喷管调节片、密封片、低压涡轮静子叶片等高温静子件，在F136和F414等发动机演示验证平台上均成功验证；2009年2月，GE公司和罗罗公司联合研制的F136发动机在高空试验台上验证了CMC低压涡轮导向叶片优异性能，设计温度高达1200℃，冷却量需求降低50%；2010年11月，GE公司在F414改进型发动机上试验验证了CMC低压涡轮转子叶片技术。此外，在美国联邦航空局（FAA）的“持续降低能耗和排放”（CLEEN）计划下，波音公司开发了CMC声学排气喷管组件，并于2013年1月在罗罗公司遄达1000发动机上成功完成了73 h的试验，一系列验证平台的试验极大地促进了CMC技术的进步，推动了材料技术的成熟；2013年10月，GE公司公布在全新研制的配装庞巴迪“全球”7000和“全球”8000公务机的Passport发动机的排气混合器、锥形中心体和核心机整流罩上采用CMC技术。Passport发动机是即将量产的首型采用CMC技术的民用涡扇发动机，将于2015年年底适航取证，2016年配装“全球”7000公务机实现商业服役。当前，美俄欧主要发动机厂商都在探寻在航空发动机热端使用陶瓷基复合材料，其中，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，已于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。作为CFM公司的50%投资方，美国通用电气公司（GE公司）自2015年以来还在F414军用涡扇发动机上，验证了CMC低压涡轮转子叶片的耐高温和耐久性能，并对某型民用涡扇发动机的高压涡轮叶片在燃烧室开展了一系列试验，进一步验证了CMC在发动机热端部件的应用潜力，彰显了CMC在未来军民用航空发动机的广泛应用前景。Passport发动机的CMC排气混合器取代了由4片绕核心机的面板和9片部件的混合器组成的石墨-环氧组件，能在无复杂冷却系统情况下承受排气区域的高温燃气，增强了耐久性，并实现减重20 kg。美国航空航天局（NASA）在“超高效发动机技术”（UEET）项目下，开发出CMC发动机热端结构，能承受涡轮进口温度1 649℃，冷却需求量比同类高温合金部件减少15%～25%。目前，美国的发动机增压器小型涡轮已经实用化，将陶瓷板镶嵌在活塞顶部，使活塞的使用寿命大幅度提高，同时也提高了发动机的热效率；德国研制的排气口镶嵌陶瓷构件，提高了排气口的使用效能。国外红外热成像仪上的微型斯特林制冷机活塞套和气缸套用陶瓷材料制造，其寿命长达2000 h；导弹用陀螺仪的动力靠火药燃气供给，但燃气中的火药残渣对陀螺仪有严重损伤，为消除燃气中的残渣并提高导弹的命中精度，需研究适于导弹火药气体在2000℃下工作的陶瓷过滤材料。陶瓷纤维补强金属或金属补强陶瓷复合材料用于空间渡船的前锥体和翼前沿，可耐2200℃高温。美国格鲁曼公司预定在跨大气层高音速飞机的机翼和尾翼采用C/C复合材料，发动机进口、喷管和喷口则采用陶瓷复合材料。CMC涡轮喷嘴和涡轮罩环等静子部件已经在商用发动机上有所应用，CMC动部件低压涡轮叶片也通过了地面试验，下一代商用发动机上CMC将实现静子部件和动部件的联合应用。随着发动机对CMC需求的加大，美国正着力解决CMC耐损伤容限不足和耐温不足的问题，如通过改进陶瓷基先驱体和采用纳米纤维等方式，开发更耐高温和具有更高损伤容限的CMC。
在兵器工业领域，结构陶瓷广泛应用于主战坦克发动机增压器涡轮、活塞顶、排气口镶嵌块等，是新型武器装备的关键材料。目前，20～30 mm口径机关枪的射频要求达到1 200发/min以上，这使炮管的烧蚀极为严重。利用陶瓷的高熔点和高温化学稳定性能有效地抑制了严重的炮管烧蚀，陶瓷材料具有高的抗压和抗蠕变特性，通过合理设计，使陶瓷材料保持三向压缩状态，克服其脆性，保证陶瓷衬管的安全使用。但陶瓷材料的致命缺点是它的脆性、低可靠性和低重复性，这些不足严重影响了陶瓷材料的应用范围。只有改善陶瓷的断裂韧性，提供其可靠性和使用寿命，才能使陶瓷材料真正地成为一种广泛应用的新型材料。因此，陶瓷增强增韧技术也一直是纳米研究部门的研究热点和难点。(https://www.daowen.com)
英国罗罗公司也将CMC作为降低发动机耗油率和排放的关键技术之一，表示该材料将会彻底革新发动机的质量和性能，并收购了CMC研发生产商——超热公司（HTC）。同时，在“环境友好发动机”（EFE）计划试验单元的长期试验中，验证并评估了CMC高压涡轮叶片。美国另一大发动机制造商普惠公司虽然并不看好CMC在短期和中期的应用，但是作为长期目标，在解决成本和可靠性问题后，仍相信该材料具有使齿轮传动涡扇发动机燃油效率进一步提高的潜力，并在“环境负责航空”（ERA）计划下与NASA合作开展CMC燃烧室的研究工作。
碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的应用主要包括发动机燃烧室内衬、燃烧室筒、喷口导流叶片、涡轮叶片和涡轮罩环等部位。以美国为首的发达国家在航空用陶瓷基复合材料领域进行了大量的研究，美国GE公司、橡树岭国家实验室分别是产业界与科研界的代表。美国GE公司在20多年前就开始与NASA合作开发高速民用运输机用陶瓷基复合材料作燃烧室内衬。GE公司非常重视对航空事业的研发，投入了巨额研发资金，而陶瓷基复合材料正是GE航空部门最为依赖的技术之一。2017年3月，美国莱斯大学与NASA合作，开发出新型碳化硅纤维，使用此种新型材料制备的陶瓷复合材料可以承受航天应用中的高温、高压等极端恶劣条件。用于高级火箭引擎中的纤维增强复合材料需要承受高达1600℃的高温，目前NASA正在开发的用于火箭引擎中的陶瓷复合材料使用碳化硅纤维作为增强体，但当此种材料暴露于氧气中时，会变脆或者发生断裂。来自莱斯大学的材料科学家将碳化硅纳米管和纳米线嵌入了NASA使用的碳化硅纤维表面。纤维暴露的部分是卷曲的，可以像环和钩子一样在纳米尺度上起到魔术贴的作用。研究人员表示，将新型碳化硅纤维植入陶瓷复合材料中，并在火箭喷嘴或火箭引擎的其他部件中进行测试时，可以增加碳化硅纤维的强度、质量和耐热性。
国内在SiC/SiC复合材料研究方面起步相对较晚，在航空领域，近年来国家开展项目支持，包括中航复合材料有限责任公司、西北工业大学、国防科技大学等单位已经具备构件研制和小批量生产能力。中航复合材料有限责任公司经过多年工程化应用研究，突破了多项关键技术。我国在碳化硅陶瓷方面与欧美国家一直存在差距，在核能领域，我国的碳化硅包壳材料的研究尚处在初步阶段。我国在该方面的研究主要以校企合作和企业合作的方式进行。其中国家核电技术公司与华北电力大学研究碳化硅燃料组件的牛风雷教授团队通过校企合作，展开了SiC包壳材料的研究工作。中核集团与法国阿海珐集团保持着合作关系，由中核集团下属单位核动力院牵头的多家单位协同开展对SiC复合材料开展研制以及堆内辐照。此外，中广核、中国核工业建设集团和中国原子能科学研究院也在关注碳化硅包壳材料的研究。
SiC/SiC陶瓷基复合材料可重点应用在航空、核能等领域，具体说来包括航空发动机燃烧室、涡轮叶片、喷口导流叶片等热端部位以及核燃料包壳管。虽然我国在近几年加大投入力度，联合多家单位对SiC/SiC复合材料进行技术研发，但是在构件工程化方面仍然具有一定差距。SiC纤维是SiC/SiC复合材料中非常重要的一种材料，国际上已经发展到第三代，日本宇部兴产公司、日本碳公司、美国COI陶瓷公司都掌握了第三代SiC纤维的生产技术。我国已经掌握第二代SiC纤维生产技术，并具有年产10 t第二代SiC纤维的能力，目前已有企业拟建设第三代高性能碳化硅纤维生产线，总体而言，我国SiC纤维与国外巨头企业相比存在一定的差距。在核能领域，采用SiC/SiC复合材料作为核燃料棒的包壳材料具有较大的优势，我国核能领域的创新型企业也在密切关注SiC包壳材料的发展。但是目前我国发展SiC包壳材料需要解决一些问题，首先需要解决第三代碳化硅纤维的商品化问题；其次，要攻克碳化硅纤维与基体的界面设计与调控的关键技术；最后，要突破SiC/SiC复合材料与金属的焊接技术。