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(lái)如果能解決生產(chǎn)和運(yùn)輸成本的問(wèn)題，在太空中生產(chǎn)陶瓷材料的零部件可能會(huì)成為熱點(diǎn)方向。

在國(guó)際空間站（ISS）上面，由Made in Space（MIS）公司開(kāi)發(fā)的“渦輪陶瓷制造模塊”（TCMM）已經(jīng)在太空中制造了一個(gè)陶瓷基復(fù)合材料（CMC）零件。這個(gè)零件的制造證明了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度和更低的重量。

在試驗(yàn)過(guò)程中TCMM的設(shè)備自主運(yùn)行，它采用光固化成型（SLA）技術(shù)和“陶瓷預(yù)制造樹(shù)脂”（pre-ceramic resin）來(lái)對(duì)這些CMC零件進(jìn)行制造。該零件是一個(gè)整體葉盤(pán)，它將和其他在近期生產(chǎn)的測(cè)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(pán)

MIS公司是Redwire公司的一個(gè)子公司，TCMM則是作為美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，于10月初隨諾斯羅普·格魯門(mén)公司的第14次補(bǔ)給任務(wù)帶到國(guó)際空間站的。

TCMM是MIS公司四個(gè)運(yùn)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(píng)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(qiáng)度和更低的殘余應(yīng)力，可以為渦輪機(jī)械提供耐高溫的增強(qiáng)型CMC零件，從而使其具有更高的性能。

NASA對(duì)在ISS上微重力環(huán)境下TCMM的研究描述為“具有潛在的對(duì)傳統(tǒng)航空制造業(yè)的優(yōu)勢(shì)”。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(gè)重大的里程碑，有可能成為地球低軌道商業(yè)活動(dòng)的新市場(chǎng)潛力。Redwire正在開(kāi)發(fā)先進(jìn)的制造工藝，以地面上的需求來(lái)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(shí)驗(yàn)室和Sierra Turbines的技術(shù)合作伙伴一起開(kāi)發(fā)將該技術(shù)商業(yè)化。其中HRL由波音和通用汽車(chē)公司共同成立，針對(duì)陶瓷材料的制備，本次太空制造用的“陶瓷預(yù)制造樹(shù)脂”，就是一種由HRL開(kāi)發(fā)出的懸混著陶瓷顆粒的液態(tài)樹(shù)脂類(lèi)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(shù)脂”打印出來(lái)的，在要求不高時(shí)甚至可以用噴槍來(lái)燒結(jié)

MIS在ISS上采用的是類(lèi)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?yàn)槲⒅亓Νh(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(qiáng)度更高、重量更輕。雖然這樣的生產(chǎn)方式成本很高，但對(duì)于一些特殊需求的渦輪機(jī)，即使能使強(qiáng)度提高1%~2％，其使用壽命也可以增加長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年。

TCMM的渦輪葉盤(pán)在“陶瓷預(yù)制造樹(shù)脂中”的投影

CMC材料的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式

國(guó)外CMC材料生產(chǎn)制備工藝經(jīng)過(guò)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(xiàng)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(dú)到優(yōu)勢(shì)；PIP工藝制備的材料孔隙率較高，在航空領(lǐng)域尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例，但因其工藝簡(jiǎn)單、基本組分可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，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(zhǎng)時(shí)服役下保障材料可靠性的基本要求之一，同時(shí)具有生產(chǎn)周期短、成本低、可批量化生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)合的不同， 統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可行性，有針對(duì)性地選擇更合適的工藝。

3種CMC材料制備方式的優(yōu)缺點(diǎn)

各國(guó)在CMC制備工藝方面均開(kāi)展了大量研究，其中法國(guó)以CVI 技術(shù)為主，技術(shù)水平屬?lài)?guó)際領(lǐng)先；日本主要開(kāi)展PIP工藝的研究；德國(guó)在MI技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)世界領(lǐng)先；美國(guó)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(dòng)機(jī)上應(yīng)用CMC材料最多的公司，他們主要采用的是MI工藝。

國(guó)外不同型號(hào)的CMC材料和性能。

我國(guó)在連續(xù)纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料研究方面起步相對(duì)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(guó)外仍有明顯的差距。

近年來(lái)通過(guò)國(guó)家項(xiàng)目的支持，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)高校和研究單位在航空發(fā)動(dòng)機(jī)用連續(xù)纖維增強(qiáng)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(guò)十多年的努力，開(kāi)展了大量的工程化應(yīng)用研究，并突破了多項(xiàng)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(guò)某型發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬器考核，另一款CMC熱結(jié)構(gòu)件也某型國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行替代部件考核，上述考核均達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)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(guó)航發(fā)展示了一些CMC材料的部件，如渦輪葉盤(pán)、渦輪導(dǎo)向器葉片等，表明我國(guó)在這個(gè)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(tái)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(shuō)明我國(guó)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(qiáng)度所進(jìn)行陶瓷基復(fù)合材料測(cè)試專(zhuān)項(xiàng)合作，主要目的是針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料測(cè)試研究進(jìn)行小專(zhuān)項(xiàng)合作，系統(tǒng)地聯(lián)合建立陶瓷基復(fù)合材料測(cè)試平臺(tái)，還要建立更為廣泛的陶瓷基復(fù)合材料研究與驗(yàn)證中心，發(fā)揮大學(xué)與航空院所各自的專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，在材料研究和發(fā)動(dòng)機(jī)研究?jī)煞矫嫘纬苫パa(bǔ)。

發(fā)動(dòng)機(jī)上的CMC材料應(yīng)用

國(guó)外多家航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(cuò)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(dòng)機(jī)高溫材料領(lǐng)域的趨勢(shì)。

CMC對(duì)于該圖顯示的和各種航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件都是不錯(cuò)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(dòng)機(jī)上已經(jīng)進(jìn)行大量飛行測(cè)試，該零件實(shí)現(xiàn)減重35%，并可使高溫發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，應(yīng)用在F100、F110、F119、F136等多種型號(hào)的軍用發(fā)動(dòng)機(jī)中。

賽峰采用CMC材料制造的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的低壓渦輪三級(jí)導(dǎo)向器上，設(shè)計(jì)工作溫度最高達(dá)1200℃，大幅減少了冷卻用氣量。

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)是首款應(yīng)用了CMC材料的商用發(fā)動(dòng)機(jī)，但只有一級(jí)高壓渦輪罩環(huán)應(yīng)用了該材料。GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用了5種CMC材料部件：燃燒室內(nèi)/外襯、高壓渦輪一級(jí)導(dǎo)向器葉片、二級(jí)導(dǎo)向器葉片、一級(jí)高壓渦輪罩環(huán)。GE公司估計(jì)GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)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(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)經(jīng)歷了500個(gè)循環(huán)，成功驗(yàn)證了世界上首個(gè)運(yùn)動(dòng)組件的CMC材料部件。

GE公司采用F414發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行CMC材料的低壓渦輪葉片測(cè)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。