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碳化硅纖維進入航空發動機:新材料更輕更強更耐高溫

 

  一種新型的纖維正在進入航空發動機市場,為一些跨越大洋的客機提供更高的燃油效率。與傳統的高溫鎳合金相比,新材料制成的航空發動機部件,強度增強2倍,耐熱性提高20%,但重量反而要輕1/3。

 

  航空發動機熱端部件需要有極高的耐熱性,目前主要是依靠鎳基超級合金。通過使用碳化硅(SiC)纖維,日本的制造商已經找到了一種陶瓷基復合材料,比鎳基超級合金強度增強兩倍,耐熱性提高20%,但重量反而要輕三分之一。

 

  美國通用電氣GE公司為其最新的航空發動機采用了一種基于碳化硅纖維的陶瓷基復合材料,并且已經應用在了LEAP發動機中,裝配在單通道客機空客A320neo上,于去年已經投入服役。

 

  空客A320neo客機具有較高的燃油效率,由兩家公司提供的發動機,其中一個是通用電氣GE公司與法國賽峰飛機發動機公司合資的CFM國際公司。CFM國際公司是第一家在航空發動機上使用陶瓷基復合材料的公司。該材料目前還僅用在發動機少數幾個部件上,但其引入可能預示著航空發動機制造業的發展趨勢。

 

  碳化硅纖維通過熔化碳和硅的化合物(稱為聚碳硅烷),然后通過噴嘴吹掃制成約10微米直徑的纖維,然后將這些纖維進行特殊的電子束真空處理,可以防止其暴露在極高溫度下時性能劣化,最后,這些纖維被編織成可以用于陶瓷基復合材料的布狀片材。這樣制成的輕質高耐熱陶瓷,能承受航空發動機內的高溫。

 

  目前,日本宇部興業公司(Ube Industries)和日本碳素公司(Nippon Carbon)是世界上唯一可以生產碳化硅纖維的公司。就連美國化學巨頭陶氏化學(Dow Chemical)公司和康寧(Corning)公司也只是試圖在商業上生產這種材料。

 

  在20世紀80年代后期,碳化硅纖維的應用很少,日本碳素公司的碳化硅纖維業務處于嚴重負債中。后來,世界上最大的航空發動機制造商GE公司開始考慮在某些發動機部件中,使用輕質新材料替代鎳合金。嗅到巨大商機的碳素公司立馬著手將碳化硅纖維的耐熱性從1300攝氏度提升到了1500攝氏度以上,而這正是航空發動機所需的范圍。

 

  這項技術挑戰令人望而生畏,但碳素公司創新式的將碳纖維的大量分子量暴露給電子束達到了這一目標。不久后,該公司又研發了能夠承受高達1900攝氏度的碳化硅纖維,這一成果輕松說服了GE將其應用在航空發動機上。

 

  與鎳合金不同,碳化硅纖維不需要任何空氣冷卻就可以承受1600攝氏度,這也使得航空發動機能夠將更多的空氣質量用在做功上,而不像之前用在冷卻上,從而提高燃油效率。

 

  GE正在為其GE9X發動機采用碳化硅纖維基陶瓷,這將為波音的下一代大型噴氣式客機提供動力。GE9X發動機的4個主要部件,包括高壓渦輪機中的葉片和噴嘴,都將采用碳化硅纖維基陶瓷替代鎳合金制成。這一點將使得燃油效率提升2%。

 

  相比于性能,碳化硅纖維更廣泛商業用途的主要障礙是它們的價格:它們比碳纖維貴100倍,每公斤需要3000~1萬日元(折合27~90美元)。新纖維的大規模需求只有在成本下降時才會上漲,此外改進制造技術對于實現這一目標將是至關重要的。

 

  來源:@兩機動力控制

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