碳化硅纤维进入航空发动机:新材料更轻更强更耐高温

没得比

　一种新型的纤维正在进入航空发动机市场，为一些跨越大洋的客机提供更高的燃油效率。与传统的高温镍合金相比，新材料制成的航空发动机部件，强度增强2倍，耐热性提高20%，但重量反而要轻1/3。

　　航空发动机热端部件需要有极高的耐热性，目前主要是依靠镍基超级合金。通过使用碳化硅(SiC)纤维，日本的制造商已经找到了一种陶瓷基复合材料，比镍基超级合金强度增强两倍，耐热性提高20%，但重量反而要轻三分之一。

　　美国通用电气GE公司为其最新的航空发动机采用了一种基于碳化硅纤维的陶瓷基复合材料，并且已经应用在了LEAP发动机中，装配在单通道客机空客A320neo上，于去年已经投入服役。

　　空客A320neo客机具有较高的燃油效率，由两家公司提供的发动机，其中一个是通用电气GE公司与法国赛峰飞机发动机公司合资的CFM国际公司。CFM国际公司是第一家在航空发动机上使用陶瓷基复合材料的公司。该材料目前还仅用在发动机少数几个部件上，但其引入可能预示着航空发动机制造业的发展趋势。

　　碳化硅纤维通过熔化碳和硅的化合物(称为聚碳硅烷)，然后通过喷嘴吹扫制成约10微米直径的纤维，然后将这些纤维进行特殊的电子束真空处理，可以防止其暴露在极高温度下时性能劣化，最后，这些纤维被编织成可以用于陶瓷基复合材料的布状片材。这样制成的轻质高耐热陶瓷，能承受航空发动机内的高温。

　　目前，日本宇部兴业公司(Ube Industries)和日本碳素公司(Nippon  Carbon)是世界上唯一可以生产碳化硅纤维的公司。就连美国化学巨头陶氏化学(Dow  Chemical)公司和康宁(Corning)公司也只是试图在商业上生产这种材料。

　　在20世纪80年代后期，碳化硅纤维的应用很少，日本碳素公司的碳化硅纤维业务处于严重负债中。后来，世界上最大的航空发动机制造商GE公司开始考虑在某些发动机部件中，使用轻质新材料替代镍合金。嗅到巨大商机的碳素公司立马着手将碳化硅纤维的耐热性从1300摄氏度提升到了1500摄氏度以上，而这正是航空发动机所需的范围。

　　这项技术挑战令人望而生畏，但碳素公司创新式的将碳纤维的大量分子量暴露给电子束达到了这一目标。不久后，该公司又研发了能够承受高达1900摄氏度的碳化硅纤维，这一成果轻松说服了GE将其应用在航空发动机上。

　　与镍合金不同，碳化硅纤维不需要任何空气冷却就可以承受1600摄氏度，这也使得航空发动机能够将更多的空气质量用在做功上，而不像之前用在冷却上，从而提高燃油效率。

　　GE正在为其GE9X发动机采用碳化硅纤维基陶瓷，这将为波音的下一代大型喷气式客机提供动力。GE9X发动机的4个主要部件，包括高压涡轮机中的叶片和喷嘴，都将采用碳化硅纤维基陶瓷替代镍合金制成。这一点将使得燃油效率提升2%。

　　相比于性能，碳化硅纤维更广泛商业用途的主要障碍是它们的价格：它们比碳纤维贵100倍，每公斤需要3000~1万日元(折合27~90美元)。新纤维的大规模需求只有在成本下降时才会上涨，此外改进制造技术对于实现这一目标将是至关重要的。