中宝娱乐场官网注册|中国航空发动机材料又获突破 涡轮叶片重量降低70%

  • 日期:2020-01-11 16:09:28    
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    不起眼的SIC材料对于提高航空发动机性能至关重要

    近日中国电科二所对外透露,他们在大直径碳化硅(SIC)单晶生长研究之中取得突破,实现了高线度SIC粉批量生产,标志着中国在这个材料领域取得了长足进展。

    SIC单晶被认为是运用最广泛新型材料之一,它最大特点就是性能稳定,耐热、耐磨性能都非常好,让这种材料在机械、电子等领域有着广泛用途,是国防建设和国民经济急需的关键材料之一。

    SIC材料最让人关心的用途就是在发动机上运用,尤其是航空发动机,航空发动机设计要求就是用更轻重量,提供更大的推力,实现这个目标提高发动机工作温度,也就是我们经常听到的涡轮前温度,不过提高涡轮前温度意味着材料要具备更好耐高温性能,这样就会降低对发动机冷却要求,简化发动机结构,降低重量,一般认为发动机重量1公斤,飞机重量会降低3公斤,如果材料不过关,就需要采用复杂冷却手段,结果就是发动机结构会更加复杂,重量增加,发动机重量增加又会导致飞机重量进一步上升,高温材料对于发动机和飞机贡献可想而知。

    航空发动机工作在高温、高转速、高压环境之中,对于材料要求较高

    LEAP发动机就使用了基于SIC的陶瓷基复合材料,成功降低了发动机重量,进而减少了飞机空重

    F414的尾喷口也用了SIC材料

    从国内外航空发动机研究进展来看,金属高温材料已经趋近极限,未来发展重点就是陶瓷基复合材料(CMC),CMC材料利用纤维韧性弥补陶瓷材料易碎的缺点,前面说过SIC材料具备优秀耐高温、耐磨等方面性能,所以陶瓷基复合材料之中又SIC材料最受关注,目前国外已经在航空发动机上面运用CMC材料,例如新一代LEAP涡扇发动机就采用了CMC材料,从而让发动机重量降低数百公斤,进而让飞机减少结构重量接近1吨,极大改善了飞机经济性能,可以说效果显著,国内也在此领域开展了跟踪研究,完成了基于CMC材料的涡轮叶片,并且进行了地面试车,从相关资料来看,基于CMC材料的涡轮叶片与金属涡轮叶片相比,重量降低70%左右,可以让发动机性能得到有效提高。

    除了发动机叶片之外,CMC材料还可以用于发动机其他部件,例如燃料室、尾喷口等等,还可以铺设在飞行器表面,作为耐热层,防止气动加热引起机体温度升高对飞机结构造成不利影响。

    SIC在新一代电子材料领域也有着广泛用途,图为国产SIC晶片

    福特级航空母舰变电系统采用了基于SIC的电了元器件

    SIC运用领域不仅仅局限在机械领域,还在半导体领域有广泛用途,传统硅基(SI)材料耐高温性能较差,一般认为SI基集成电路工作温度不能超过250度,这样就限制器件工作必,随着电子设备性能要求提高,对于设备功率、电压、环境等方面性能要求也越来越高,而SIC材料性能要比SI材料好的多,例如耐电压是后者10倍,碳化硅的能带间隔为硅的2.8倍(宽禁带),达到3.09电子伏特。其绝缘击穿场强为硅的5.3倍,其导热率是硅的3.3倍,因此更加适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。有消息说美国福特级变电系统就采用SIC基器件,从而设备体积和重量降低50%左右。

    综上所述我们可以看到,中国相关单位在SIC材料取得突破,为国产发动机、电子设备性能提高打下了坚实基础,从而为国产武器装备研制提供了有力支撑和保障。(作者署名:小飞猪观察)

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