太空中的微重力環境特別適合進行某些材料的生產(chan) 製備，陶瓷基複合材料是其中之一。未來如果能解決(jue) 生產(chan) 和運輸成本的問題，在太空中生產(chan) 陶瓷材料的零部件可能會(hui) 成為(wei) 熱點方向。

在國際空間站（ISS）上麵，由Made in Space（MIS）公司開發的“渦輪陶瓷製造模塊”（TCMM）已經在太空中製造了一個(ge) 陶瓷基複合材料（CMC）零件。這個(ge) 零件的製造證明了噴氣發動機零件的增材製造潛力，在太空的環境中進行製造，有助於(yu) 零件得到更高的強度和更低的重量。

在試驗過程中TCMM的設備自主運行，它采用光固化成型（SLA）技術和“陶瓷預製造樹脂”（pre-ceramic resin）來對這些CMC零件進行製造。該零件是一個(ge) 整體(ti) 葉盤，它將和其他在近期生產(chan) 的測試試件一起，在2021年1月初隨SpaceX的“龍II”飛船返回地球。在這些預成形的零件製返回地球後，它們(men) 就將進行燒結，製造成最終的CMC零件。

燒結前後的陶瓷渦輪葉盤

MIS公司是Redwire公司的一個(ge) 子公司，TCMM則是作為(wei) 美國國家實驗室的一項實驗，於(yu) 10月初隨諾斯羅普·格魯門公司的第14次補給任務帶到國際空間站的。

TCMM是MIS公司四個(ge) 運往ISS進行太空增材製造的設備之一。Redwire公司表示，在ISS上進行的製造技術演示旨在評估微重力下陶瓷零件增材製造的潛力，而在微重力環境下，增材製造的零件具有更高的強度和更低的殘餘(yu) 應力，可以為(wei) 渦輪機械提供耐高溫的增強型CMC零件，從(cong) 而使其具有更高的性能。

NASA對在ISS上微重力環境下TCMM的研究描述為(wei) “具有潛在的對傳(chuan) 統航空製造業(ye) 的優(you) 勢”。MIS公司總裁Tom Campbell在12月2日表示，在太空中製造的這些零件是一個(ge) 重大的裏程碑，有可能成為(wei) 地球低軌道商業(ye) 活動的新市場潛力。Redwire正在開發先進的製造工藝，以地麵上的需求來創造人們(men) 太空中可持續工作的能力。

MIS公司正在與(yu) HRL實驗室和Sierra Turbines的技術合作夥(huo) 伴一起開發將該技術商業(ye) 化。其中HRL由波音和通用汽車公司共同成立，針對陶瓷材料的製備，本次太空製造用的“陶瓷預製造樹脂”，就是一種由HRL開發出的懸混著陶瓷顆粒的液態樹脂類材料。這種材料可以采用增材製造，利用紫外線照射等手段將其固化，打印出預期的形狀，然後再用高溫燒結，從(cong) 而轉變為(wei) 致密的陶瓷材料。

圖中的網格結構就是用“陶瓷預製造樹脂”打印出來的，在要求不高時甚至可以用噴槍來燒結

MIS在ISS上采用的是類似SLA的工藝，而在太空中將特別有利於(yu) 處理這種陶瓷顆粒懸混液，因為(wei) 微重力環境幾乎消除了陶瓷顆粒的沉降。因此與(yu) 地麵上進行同樣的製造相比，在太空中製造的CMC零件具有更均勻的質地、更低的孔隙率和殘餘(yu) 應力，從(cong) 而使零件強度更高、重量更輕。雖然這樣的生產(chan) 方式成本很高，但對於(yu) 一些特殊需求的渦輪機，即使能使強度提高1%~2％，其使用壽命也可以增加長達數十年。

TCMM的渦輪葉盤在“陶瓷預製造樹脂中”的投影

CMC材料的傳(chuan) 統生產(chan) 方式

國外CMC材料生產(chan) 製備工藝經過幾十年的發展已經趨於(yu) 成熟，主要包括化學氣相滲透（CVI）工藝、聚合物先驅體(ti) 浸漬裂解（PIP）工藝和熔滲（MI）工藝。

三種工藝的區別主要在於(yu) 碳化矽基體(ti) 的致密化方式不同，因此，製備工藝可直接影響複合材料中碳化矽基體(ti) 的微觀結構及組成，進而影響與(yu) 基體(ti) 相關(guan) 的各項材料性能。CVI工藝在製備大型、薄壁、複雜構件方麵具有其獨到優(you) 勢；PIP工藝製備的材料孔隙率較高，在航空領域尚無應用實例，但因其工藝簡單、基本組分可設計性強，在航天領域應用廣泛；MI工藝製造的材料孔隙率低，是長時服役下保障材料可靠性的基本要求之一，同時具有生產(chan) 周期短、成本低、可批量化生產(chan) 的優(you) 勢，使其更加適用於(yu) 航空領域。故應根據應用領域和使用場合的不同， 統籌考慮經濟性和技術可行性，有針對性地選擇更合適的工藝。

3種CMC材料製備方式的優(you) 缺點

各國在CMC製備工藝方麵均開展了大量研究，其中法國以CVI 技術為(wei) 主，技術水平屬國際領先；日本主要開展PIP工藝的研究；德國在MI技術領域技術世界領先；美國在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動機上應用CMC材料最多的公司，他們(men) 主要采用的是MI工藝。

國外不同型號的CMC材料和性能。

我國在連續纖維增強碳化矽陶瓷基複合材料研究方麵起步相對較晚，目前具備構件研製和小批量生產(chan) 能力，但相比較國外仍有明顯的差距。

近年來通過國家項目的支持，目前國內(nei) 相關(guan) 高校和研究單位在航空發動機用連續纖維增強CMC材料和構件製造技術方麵已取得一定的技術突破，形成了較為(wei) 完備的CVI和PIP工程化製造技術體(ti) 係。

中航複材公司在CMC材料製造技術方麵經過十多年的努力，開展了大量的工程化應用研究，並突破了多項製約CMC部件工程化製造應用的關(guan) 鍵技術。中航複材研製的某款CMC材料熱結構件已通過某型發動機的模擬器考核，另一款CMC熱結構件也某型國產(chan) 發動機上進行替代部件考核，上述考核均達到了國際同類CMC熱結構件的先進水平。除了結構件以外，在功能性CMC材料和部件，如透波陶瓷材料、雷達/紅外隱身功能陶瓷材料等方麵也取得了重要進展。

2019年北京航展上，中國航發展示了一些CMC材料的部件，如渦輪葉盤、渦輪導向器葉片等，表明我國在這個(ge) 領域也在緊跟先進技術發展。另外，據航發展台工作人員介紹，這些零件是企業(ye) 與(yu) 大學聯合研發的，這也說明我國大學科研能力向產(chan) 品應用的轉化能力進一步提高。（攝影：顏思銘）

在2016年，西北工業(ye) 大學與(yu) 航空工業(ye) 強度所進行陶瓷基複合材料測試專(zhuan) 項合作，主要目的是針對航空發動機材料測試研究進行小專(zhuan) 項合作，係統地聯合建立陶瓷基複合材料測試平台，還要建立更為(wei) 廣泛的陶瓷基複合材料研究與(yu) 驗證中心，發揮大學與(yu) 航空院所各自的專(zhuan) 業(ye) 優(you) 勢，在材料研究和發動機研究兩(liang) 方麵形成互補。

發動機上的CMC材料應用

國外多家航空發動機廠商在陶瓷基複合材料考核與(yu) 應用方麵均做出了很多嚐試，並取得了非常不錯的效果。陶瓷基複合材料代替高溫合金已成為(wei) 航空發動機高溫材料領域的趨勢。

CMC對於(yu) 該圖顯示的和各種航空發動機零部件都是不錯選擇

噴管密封片等部件

賽峰利用CVI工藝製備的CMC材料氣錐在CFM56發動機上已經進行大量飛行測試，該零件實現減重35%，並可使高溫發動機氣體(ti) 與(yu) 涵道冷空氣達到最佳混合比例。NASA和GE研製的CMC噴管調節片、密封片已實現產(chan) 品化，應用在F100、F110、F119、F136等多種型號的軍(jun) 用發動機中。

賽峰采用CMC材料製造的發動機氣錐

渦輪罩環、導向葉片等部件

GE已將CMC材料應用在F136軍(jun) 用發動機的低壓渦輪三級導向器上，設計工作溫度最高達1200℃，大幅減少了冷卻用氣量。

LEAP發動機是首款應用了CMC材料的商用發動機，但隻有一級高壓渦輪罩環應用了該材料。GE9X發動機應用了5種CMC材料部件：燃燒室內(nei) /外襯、高壓渦輪一級導向器葉片、二級導向器葉片、一級高壓渦輪罩環。GE公司估計GE9X發動機采用陶瓷基複合材料渦輪轉子葉片將降低總重約455千克。目前，GE9X發動機已經取得FAA認證，並安裝在波音777X上進行試飛。

LEAP發動機上的CMC材料渦輪葉片罩環

轉子葉片

2015年2月，GE在F414發動機驗證機上麵成功完成了CMC材料的低壓渦輪轉子葉片的耐高溫和耐久性驗證試驗，試驗經曆了500個(ge) 循環，成功驗證了世界上首個(ge) 運動組件的CMC材料部件。

GE公司采用F414發動機驗證機進行CMC材料的低壓渦輪葉片測試，其中灰黑色的是CMC葉片，金黃色的是普通的高溫合金葉片。