第6代高性能航空发动机 ——国产陶瓷基复合材料整体涡轮盘成功首飞

作为战斗机身上最重要的核心组成部分，一台先进的航空发动机能够持续的为战斗机提供强大的动力，让战斗机突破音速飞行，并且完成各种高难度动作。

随着人类科技不断发展，各种尖端雷达探测技术与电磁干扰技术层出不穷。

性能落后的战斗机已无法满足和支持它们在各种强大电磁干扰的环境中作战。

为满足战斗机能适应不同环境下的作战要求，人类对战斗机的更新换代一直在进行。

目前我国在6代机技术领域，已取得重大突破。

2022年1月，我国西工大使用国产新型陶瓷基复合材料打造的航空发动机整体涡轮盘成功完成首飞。国产六代发动机技术迎来巨大变革。

作为6代机最核心、也是最难攻克的材料技术之一。

它的成功首飞，标志着我国航空发动机技术取得了里程碑式的进展。

同时也为国内后期采用同类型材料，打造更高性能的航空发动机做好铺垫。

陶瓷基复合材料（CMC）是陶瓷为基体，而陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、重量轻、抗腐蚀等优异性能，比合金材料具备更强的抗热属性。

用它来替代合金材料，作为航空发动机的热单部件有几大好处：

第一：比重低，可极大地降低发动机的整体重量和油耗，进而转化为增加战斗机的载弹量和航程。

第二：不需要冷却系统，也不用在涡轮叶片上钻孔散热，在运行中就能对发动机进行降温，技术的复杂程度大幅度降低。

第三：可额外增加发动机推力，如果通过加大材料的使用比例和提高发动机涡轮前温度，进而增加推重比来计算。就能让发动机的整体推力实现大幅度增长。

此次国内试飞的陶瓷基复合材料涡轮盘，与航空发动机相关涡轮叶片共同构成了高温涡轮。

而高温涡轮叶片作为航空发动机最核心的热功部件之一。

它起到的作用非常明显，当涡轮前的温度每提升一百度，发动机的推力就会相应地增加百分之20%。

目前世界上所有四代机以及五代机所装备的航空发动机，涡轮前温度普遍在1900k左右。相当于1600多度。

在这种高温环境下，世界上任何一种合金材料都很难持续承受这样的温度。

而下一代的高性能航空发动机，它的涡轮前温度将有可能达到2200K以上，相当于2000多度。

按照发动机涡轮前温度每提高一百度，推力就增加20%来计算，使用陶瓷基复合材料可以在现有基础上，将四代航空发动机的推重比提升一半，具体能提升多少要看发动机涡轮前温度和材料的使用比例决定。

以美国F-35战斗机为例：

目前美国F-35战斗机使用F-135航空发动机，涡轮前进口温度最高可达1800度，通过将涵道比修改为0.57之后，它产生的推力高达18吨（实验推力更是达到了恐怖的20.4吨），远高于其它国家同类型的产品。

如果在F-135的原有基础上，使用陶瓷基复合材料改造新型发动机，再通过修改涵道比参数让发动机涡轮前的温度，提升到陶瓷基复合材料的耐高温临界点。那么F-135发动机就能够在原有18吨推力的基础上再次增加7-8吨推力，性能绝对是相当强悍。而据外网报道，GE航空的XA100自适应循环发动机已计划用于升级F-35战斗机，且为美国空军第六代战斗机计划——“下一代空中优势”（NGAD）提供动力。

XA100发动机可在大推力和高效率模式之间切换，使其能够适应军用飞机在空中可能遇到的任何情况。而此XA100发动机是所有商用或军用发动机中使用CMC最为广泛的。CMC部件帮助减轻重量、提高热效率，创造了压气机和涡轮组合温度最高的世界纪录。

作为能够替代金属材料用于航空发动机的制造的陶瓷基复合材料也有一个致命性缺陷，在应力状态下非常脆弱，极为容易产生断裂从而导致材料整体性能失效，而且耐加工性也不是很理想。

这个时候，我们只要采用高强度、高弹性的纤维与陶瓷基体复合，就能够解决耐高温以及加工性差的问题。因为纤维材料具有较高的刚性和韧性，能有效阻止陶瓷基体裂纹的扩展，从而得到具有强大延展性和强度的新型复合材料。

作为各国的核心机密，陶瓷基复合材料极有可能颠覆传统合金材料制作的航空发动机技术。

而我国能够率先实现首飞验证，很大程度上得益于国内完善的工业体系。

现在要解决的就是产量低以及改善制备工艺。

本文由中国复合材料工业协会收集自网络，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流。