國產發動機材料又獲突破 可以發動機渦輪葉片重量降低七成

國產太行發動機

不起眼的SIC材料對於提高航空發動機性能至關重要

近日中國電科二所對外透露，他們在大直徑碳化硅（SIC）單晶生長研究之中取得突破，實現了高線度SIC粉批量生產，標誌著中國在這個材料領域取得了長足進展。

SIC單晶被認為是運用最廣泛新型材料之一，它最大特點就是性能穩定，耐熱、耐磨性能都非常好，讓這種材料在機械、電子等領域有著廣泛用途，是國防建設和國民經濟急需的關鍵材料之一。

SIC材料最讓人關心的用途就是在發動機上運用，尤其是航空發動機，航空發動機設計要求就是用更輕重量，提供更大的推力，實現這個目標提高發動機工作溫度，也就是我們經常聽到的渦輪前溫度，不過提高渦輪前溫度意味著材料要具備更好耐高溫性能，這樣就會降低對發動機冷卻要求，簡化發動機結構，降低重量，一般認為發動機重量1公斤，飛機重量會降低3公斤，如果材料不過關，就需要採用複雜冷卻手段，結果就是發動機結構會更加複雜，重量增加，發動機重量增加又會導致飛機重量進一步上升，高溫材料對於發動機和飛機貢獻可想而知。

航空發動機工作在高溫、高轉速、高壓環境之中，對於材料要求較高

LEAP發動機就使用了基於SIC的陶瓷基複合材料，成功降低了發動機重量，進而減少了飛機空重

F414的尾噴口也用了SIC材料

從國內外航空發動機研究進展來看，金屬高溫材料已經趨近極限，未來發展重點就是陶瓷基複合材料（CMC），CMC材料利用纖維韌性彌補陶瓷材料易碎的缺點，前面說過SIC材料具備優秀耐高溫、耐磨等方面性能，所以陶瓷基複合材料之中又SIC材料最受關注，目前國外已經在航空發動機上面運用CMC材料，例如新一代LEAP渦扇發動機就採用了CMC材料，從而讓發動機重量降低數百公斤，進而讓飛機減少結構重量接近1噸，極大改善了飛機經濟性能，可以說效果顯著，國內也在此領域開展了跟蹤研究，完成了基於CMC材料的渦輪葉片，並且進行了地面試車，從相關資料來看，基於CMC材料的渦輪葉片與金屬渦輪葉片相比，重量降低70%左右，可以讓發動機性能得到有效提高。

除了發動機葉片之外，CMC材料還可以用於發動機其他部件，例如燃料室、尾噴口等等，還可以鋪設在飛行器表面，作為耐熱層，防止氣動加熱引起機體溫度升高對飛機結構造成不利影響。

SIC在新一代電子材料領域也有著廣泛用途，圖為國產SIC晶片

福特級航空母艦變電系統採用了基於SIC的電了元器件

SIC運用領域不僅僅局限在機械領域，還在半導體領域有廣泛用途，傳統硅基（SI）材料耐高溫性能較差，一般認為SI基集成電路工作溫度不能超過250度，這樣就限制器件工作必，隨著電子設備性能要求提高，對於設備功率、電壓、環境等方面性能要求也越來越高，而SIC材料性能要比SI材料好的多，例如耐電壓是後者10倍，碳化硅的能帶間隔為硅的2.8倍(寬禁帶),達到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場強為硅的5.3倍,其導熱率是硅的3.3倍，因此更加適合製作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件。有消息說美國福特級變電系統就採用SIC基器件，從而設備體積和重量降低50%左右。

綜上所述我們可以看到，中國相關單位在SIC材料取得突破，為國產發動機、電子設備性能提高打下了堅實基礎，從而為國產武器裝備研製提供了有力支撐和保障。

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