太空中的微重力環(huán)境特別適合進(jìn)行某些材料的生產(chǎn)制備，陶瓷基復(fù)合材料是其中之一。未來如果能解決生產(chǎn)和運輸成本的問題，在太空中生產(chǎn)陶瓷材料的零部件可能會成為熱點方向。

在國際空間站（ISS）上面，由Made in Space（MIS）公司開發(fā)的“渦輪陶瓷制造模塊”（TCMM）已經(jīng)在太空中制造了一個陶瓷基復(fù)合材料（CMC）零件。這個零件的制造證明了噴氣發(fā)動機零件的增材制造潛力，在太空的環(huán)境中進(jìn)行制造，有助于零件得到更高的強度和更低的重量。

在試驗過程中TCMM的設(shè)備自主運行，它采用光固化成型（SLA）技術(shù)和“陶瓷預(yù)制造樹脂”（pre-ceramic resin）來對這些CMC零件進(jìn)行制造。該零件是一個整體葉盤，它將和其他在近期生產(chǎn)的測試試件一起，在2021年1月初隨SpaceX的“龍II”飛船返回地球。在這些預(yù)成形的零件制返回地球后，它們就將進(jìn)行燒結(jié)，制造成最終的CMC零件。

燒結(jié)前后的陶瓷渦輪葉盤

MIS公司是Redwire公司的一個子公司，TCMM則是作為美國國家實驗室的一項實驗，于10月初隨諾斯羅普·格魯門公司的第14次補給任務(wù)帶到國際空間站的。

TCMM是MIS公司四個運往ISS進(jìn)行太空增材制造的設(shè)備之一。Redwire公司表示，在ISS上進(jìn)行的制造技術(shù)演示旨在評估微重力下陶瓷零件增材制造的潛力，而在微重力環(huán)境下，增材制造的零件具有更高的強度和更低的殘余應(yīng)力，可以為渦輪機械提供耐高溫的增強型CMC零件，從而使其具有更高的性能。

NASA對在ISS上微重力環(huán)境下TCMM的研究描述為“具有潛在的對傳統(tǒng)航空制造業(yè)的優(yōu)勢”。MIS公司總裁Tom Campbell在12月2日表示，在太空中制造的這些零件是一個重大的里程碑，有可能成為地球低軌道商業(yè)活動的新市場潛力。Redwire正在開發(fā)先進(jìn)的制造工藝，以地面上的需求來創(chuàng)造人們太空中可持續(xù)工作的能力。

MIS公司正在與HRL實驗室和Sierra Turbines的技術(shù)合作伙伴一起開發(fā)將該技術(shù)商業(yè)化。其中HRL由波音和通用汽車公司共同成立，針對陶瓷材料的制備，本次太空制造用的“陶瓷預(yù)制造樹脂”，就是一種由HRL開發(fā)出的懸混著陶瓷顆粒的液態(tài)樹脂類材料。這種材料可以采用增材制造，利用紫外線照射等手段將其固化，打印出預(yù)期的形狀，然后再用高溫?zé)Y(jié)，從而轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿奶沾刹牧稀?/p>

圖中的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)就是用“陶瓷預(yù)制造樹脂”打印出來的，在要求不高時甚至可以用噴槍來燒結(jié)

MIS在ISS上采用的是類似SLA的工藝，而在太空中將特別有利于處理這種陶瓷顆粒懸混液，因為微重力環(huán)境幾乎消除了陶瓷顆粒的沉降。因此與地面上進(jìn)行同樣的制造相比，在太空中制造的CMC零件具有更均勻的質(zhì)地、更低的孔隙率和殘余應(yīng)力，從而使零件強度更高、重量更輕。雖然這樣的生產(chǎn)方式成本很高，但對于一些特殊需求的渦輪機，即使能使強度提高1%~2％，其使用壽命也可以增加長達(dá)數(shù)十年。

TCMM的渦輪葉盤在“陶瓷預(yù)制造樹脂中”的投影

CMC材料的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式

國外CMC材料生產(chǎn)制備工藝經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，主要包括化學(xué)氣相滲透（CVI）工藝、聚合物先驅(qū)體浸漬裂解（PIP）工藝和熔滲（MI）工藝。

三種工藝的區(qū)別主要在于碳化硅基體的致密化方式不同，因此，制備工藝可直接影響復(fù)合材料中碳化硅基體的微觀結(jié)構(gòu)及組成，進(jìn)而影響與基體相關(guān)的各項材料性能。CVI工藝在制備大型、薄壁、復(fù)雜構(gòu)件方面具有其獨到優(yōu)勢；PIP工藝制備的材料孔隙率較高，在航空領(lǐng)域尚無應(yīng)用實例，但因其工藝簡單、基本組分可設(shè)計性強，在航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；MI工藝制造的材料孔隙率低，是長時服役下保障材料可靠性的基本要求之一，同時具有生產(chǎn)周期短、成本低、可批量化生產(chǎn)的優(yōu)勢，使其更加適用于航空領(lǐng)域。故應(yīng)根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和使用場合的不同， 統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可行性，有針對性地選擇更合適的工藝。

3種CMC材料制備方式的優(yōu)缺點

各國在CMC制備工藝方面均開展了大量研究，其中法國以CVI 技術(shù)為主，技術(shù)水平屬國際領(lǐng)先；日本主要開展PIP工藝的研究；德國在MI技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)世界領(lǐng)先；美國在PIP、CVI 和MI工藝上均有較高的研究水平。GE航空是目前在航空發(fā)動機上應(yīng)用CMC材料最多的公司，他們主要采用的是MI工藝。

國外不同型號的CMC材料和性能。

我國在連續(xù)纖維增強碳化硅陶瓷基復(fù)合材料研究方面起步相對較晚，目前具備構(gòu)件研制和小批量生產(chǎn)能力，但相比較國外仍有明顯的差距。

近年來通過國家項目的支持，目前國內(nèi)相關(guān)高校和研究單位在航空發(fā)動機用連續(xù)纖維增強CMC材料和構(gòu)件制造技術(shù)方面已取得一定的技術(shù)突破，形成了較為完備的CVI和PIP工程化制造技術(shù)體系。

中航復(fù)材公司在CMC材料制造技術(shù)方面經(jīng)過十多年的努力，開展了大量的工程化應(yīng)用研究，并突破了多項制約CMC部件工程化制造應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。中航復(fù)材研制的某款CMC材料熱結(jié)構(gòu)件已通過某型發(fā)動機的模擬器考核，另一款CMC熱結(jié)構(gòu)件也某型國產(chǎn)發(fā)動機上進(jìn)行替代部件考核，上述考核均達(dá)到了國際同類CMC熱結(jié)構(gòu)件的先進(jìn)水平。除了結(jié)構(gòu)件以外，在功能性CMC材料和部件，如透波陶瓷材料、雷達(dá)/紅外隱身功能陶瓷材料等方面也取得了重要進(jìn)展。

2019年北京航展上，中國航發(fā)展示了一些CMC材料的部件，如渦輪葉盤、渦輪導(dǎo)向器葉片等，表明我國在這個領(lǐng)域也在緊跟先進(jìn)技術(shù)發(fā)展。另外，據(jù)航發(fā)展臺工作人員介紹，這些零件是企業(yè)與大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的，這也說明我國大學(xué)科研能力向產(chǎn)品應(yīng)用的轉(zhuǎn)化能力進(jìn)一步提高。（攝影：顏思銘）

在2016年，西北工業(yè)大學(xué)與航空工業(yè)強度所進(jìn)行陶瓷基復(fù)合材料測試專項合作，主要目的是針對航空發(fā)動機材料測試研究進(jìn)行小專項合作，系統(tǒng)地聯(lián)合建立陶瓷基復(fù)合材料測試平臺，還要建立更為廣泛的陶瓷基復(fù)合材料研究與驗證中心，發(fā)揮大學(xué)與航空院所各自的專業(yè)優(yōu)勢，在材料研究和發(fā)動機研究兩方面形成互補。

發(fā)動機上的CMC材料應(yīng)用

國外多家航空發(fā)動機廠商在陶瓷基復(fù)合材料考核與應(yīng)用方面均做出了很多嘗試，并取得了非常不錯的效果。陶瓷基復(fù)合材料代替高溫合金已成為航空發(fā)動機高溫材料領(lǐng)域的趨勢。

CMC對于該圖顯示的和各種航空發(fā)動機零部件都是不錯選擇

噴管密封片等部件

賽峰利用CVI工藝制備的CMC材料氣錐在CFM56發(fā)動機上已經(jīng)進(jìn)行大量飛行測試，該零件實現(xiàn)減重35%，并可使高溫發(fā)動機氣體與涵道冷空氣達(dá)到最佳混合比例。NASA和GE研制的CMC噴管調(diào)節(jié)片、密封片已實現(xiàn)產(chǎn)品化，應(yīng)用在F100、F110、F119、F136等多種型號的軍用發(fā)動機中。

賽峰采用CMC材料制造的發(fā)動機氣錐

渦輪罩環(huán)、導(dǎo)向葉片等部件

GE已將CMC材料應(yīng)用在F136軍用發(fā)動機的低壓渦輪三級導(dǎo)向器上，設(shè)計工作溫度最高達(dá)1200℃，大幅減少了冷卻用氣量。

LEAP發(fā)動機是首款應(yīng)用了CMC材料的商用發(fā)動機，但只有一級高壓渦輪罩環(huán)應(yīng)用了該材料。GE9X發(fā)動機應(yīng)用了5種CMC材料部件：燃燒室內(nèi)/外襯、高壓渦輪一級導(dǎo)向器葉片、二級導(dǎo)向器葉片、一級高壓渦輪罩環(huán)。GE公司估計GE9X發(fā)動機采用陶瓷基復(fù)合材料渦輪轉(zhuǎn)子葉片將降低總重約455千克。目前，GE9X發(fā)動機已經(jīng)取得FAA認(rèn)證，并安裝在波音777X上進(jìn)行試飛。

LEAP發(fā)動機上的CMC材料渦輪葉片罩環(huán)

轉(zhuǎn)子葉片

2015年2月，GE在F414發(fā)動機驗證機上面成功完成了CMC材料的低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的耐高溫和耐久性驗證試驗，試驗經(jīng)歷了500個循環(huán)，成功驗證了世界上首個運動組件的CMC材料部件。

GE公司采用F414發(fā)動機驗證機進(jìn)行CMC材料的低壓渦輪葉片測試，其中灰黑色的是CMC葉片，金黃色的是普通的高溫合金葉片。