2001年，美國防務分析研究所（IDA）曾針對航空用陶瓷基復合材料（CMCs）的工業(yè)化應用前景發(fā)表過一篇評估報告。結論概括起來只有短短八個字：挑戰(zhàn)巨大，前景不明。

時至今日，來自GE航空和GE全球研發(fā)中心的CMC專家卻可以對這篇報告付之一笑了。短短二十年間，GE投入了數(shù)百名技術專家和超過15億美元資金對CMC技術進行集中攻關。今天，CMC技術已經(jīng)成為GE所掌握的最新銳、最領先的技術之一，為公司本身業(yè)務發(fā)展和世界航空工業(yè)的發(fā)展帶來巨大的變革。

GE所生產(chǎn)的發(fā)動機渦輪罩已經(jīng)裝配在賽峰國際（GE和賽峰航空發(fā)動機公司各持50%股份的合資公司）旗下暢銷款LEAP渦輪發(fā)動機上，為數(shù)百架單通道商務客機提供飛行保障。

CMC部件的問世推動了GE產(chǎn)品在軍事領域的推廣。GE曾為軍方制造過一臺發(fā)動機樣品，創(chuàng)造了噴氣式發(fā)動機耐受溫度新的世界紀錄。GE旗下的CMC制旋轉部件也成功通過了測試。

2018年，GE航空在美國阿拉巴馬州Huntsville市興建的CMC基地盛大開幕。算上之前建成的3處CMC基地，GE公司在十年間構筑起美國首個一體化的CMC產(chǎn)品供應鏈，成為CMC技術發(fā)展史上重要的里程碑。與此同時，GE位于北卡羅來納州Asheville市的CMC部件組裝新廠已累計生產(chǎn)出超過4萬件CMC發(fā)動機渦輪罩，并承擔了GE9X大推力發(fā)動機五種CMC耐高溫部件的生產(chǎn)任務。

陶瓷基復合材料（CMCs）是利用碳化硅、陶瓷纖維和陶瓷樹脂等原材料，通過復雜的生產(chǎn)工藝，再經(jīng)涂裝環(huán)節(jié)生產(chǎn)而成。其密度和重量只有合金的三分之一，但耐高溫性能卻遠超后者，因此無需將更多空氣導入高溫部件內(nèi)部，并對其進行冷卻。更多的空氣將留在氣流通道內(nèi)。因此，發(fā)動機在大推力條件下的運轉效率更高，具有更高的能效、更低的排放和更好的耐用性。

在噴氣式發(fā)動機的發(fā)展史上，渦輪發(fā)動機材料的最高耐受溫度每隔十年可以提升五十華氏度左右。CMC材料的問世足足將這個數(shù)字提升了2倍，達到一百五十華氏度。隨著CMC材料在GE發(fā)動機中愈來愈普及的應用，發(fā)動機的推進力有望提升25%，燃油效率有望提升10%。

盡管使用CMC材料帶來的好處如此顯著，但真想要實現(xiàn)其工業(yè)化應用卻并非易事，成為困擾業(yè)內(nèi)數(shù)十年的難題。除了成型工藝的局限之外，CMC材料的脆性也成為其短板。美國政府自上世紀七十年代起開始資助CMC材料的研發(fā)工作，GE科學家也正是自彼時起與CMC材料展開較量。上世紀八十年代，GE將CMC成功應用于大型地面燃氣渦輪發(fā)動機，并于1986年申請了公司首個CMC專利。二十五年間，GE已成功地將CMC發(fā)動機渦輪罩應用于不同種類的工業(yè)用燃氣渦輪機。

本世紀初，GE全球研發(fā)中心將研發(fā)方向從燃氣渦輪發(fā)動機轉向噴氣渦輪發(fā)動機。彼時擔任能源與推進技術負責人，后來轉任GE航空CMC項目負責人的Sanjay Correa回憶說：“在CMC技術研發(fā)進行的過程中，我們愈發(fā)地開始關注噴氣式渦輪發(fā)動機。因為CMC具備減重的特性，使其在飛行領域擁有了更大的發(fā)展?jié)摿??！?/p>

與此同時，GE航空開始有意對外展示CMC材料在發(fā)動機領域的應用成果，并著手構建供應體系。截至2018年，GE已在俄亥俄州Evendale市、特拉華州Newark市、北卡羅來納州Asheville市和阿拉巴馬州Huntsville市建成四處CMC生產(chǎn)基地/研發(fā)中心。日本Carbon株式會社作為CMC的原材料供應商，與GE公司、賽峰集團成立了合資公司，在Huntsville基地的籌建過程中扮演了重要的角色。

作為最新的一處CMC生產(chǎn)基地，Huntsville基地占地約100英畝，包括兩座工廠。其中一座負責生產(chǎn)耐受溫度高達2400華氏度的碳化硅陶瓷纖維，是美國境內(nèi)首條高產(chǎn)量碳化硅陶瓷纖維生產(chǎn)線；另一座毗鄰的工廠負責將碳化硅陶瓷纖維加工成單向CMC預浸料，用于后續(xù)CMC部件的生產(chǎn)。

Huntsville基地自2018年起開始對外供貨。同時，GE和賽峰發(fā)動機對CMC材料的需求在十年間增長了二十倍，并且增勢不減。2018年，Huntsville基地的CMC材料產(chǎn)量大約為6噸，這個數(shù)字將在2028年增長10倍。

隨著供應鏈的不斷穩(wěn)固，GE航空也在持續(xù)提升CMC產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，以期攤薄生產(chǎn)成本。GE在CMC生產(chǎn)、鑄造和涂層方面的技術進步將極大推動后者在新一代發(fā)動機領域的應用，進而為GE和賽峰旗下民用/軍用噴氣式發(fā)動機生產(chǎn)更多部件產(chǎn)品。

GE旗下Evendale基地實驗室CMC負責人Jonathan Blank表示說，數(shù)字分析技術的進步不僅推動著噴氣式發(fā)動機推進效率的提升，同時也深刻影響著CMC生產(chǎn)工藝的進步。

“我們將落實制度化的學習模式，研發(fā)更加完備的材料/工藝模型，將數(shù)字工具更深入地應用到工藝研發(fā)的過程中，使其成為技術研發(fā)不可分割的一部分?！?/p>

CMC材料的發(fā)展歷程與整個航空工業(yè)的發(fā)展歷程保持高度同步。最初，當懷特兄弟制造人類第一架飛機時，采用的是木材、鋼鐵和帆布作為航空材料。隨著飛機不斷更新?lián)Q代，航空材料也經(jīng)歷了鋁合金、鈦合金以及其他高溫合金的發(fā)展階段。

噴氣式飛機生產(chǎn)過程中所需的很多先進合金材料都是由GE公司率先研發(fā)出來的，包括噴氣式發(fā)動機核心部件采用的單晶合金。

GE公司工程事業(yè)副總裁Gary Mercer表示說：“基礎化學和新材料加工工藝是人類提升飛機熱效率、降低油耗和排放的基礎保障?！?/p>

上世紀九十年代，GE首次將碳纖維復合材料制成發(fā)動機扇葉應用在GE90渦輪發(fā)動機上，各航空企業(yè)也積極尋求大尺寸復合材料結構件，以降低飛機自重、提升其耐用性。

以CMC材料為武器，GE公司可以將其應用領域從航空發(fā)動機拓展到更加廣闊的航天市場，在后者更加嚴酷的宇宙環(huán)境中發(fā)揮作用。借此，GE航空將成為人類二十一世紀航天事業(yè)中不可或缺的重要CMC供應商。

對此，Mercer評價說：“我們現(xiàn)在所經(jīng)歷的，只是CMC材料應用的初級階段。在未來航空航天事業(yè)的發(fā)展過程中，輕量化和耐高溫將成為人類持續(xù)關注的熱點問題。隨著超音速、極超音速和可回收航天器的陸續(xù)問世，CMC將在動力系統(tǒng)和航空結構件等領域中扮演愈發(fā)重要的角色。”
（*文章資料來源于網(wǎng)絡）