不起眼的SIC材料對于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，標志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，就需要采用復雜冷卻手段，結果就是發動機結構會更加復雜，重量增加，發動機重量增加又會導致飛機重量進一步上升，高溫材料對于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，對于材料要求較高LEAP發動機就使用了基于SIC的陶瓷基復合材料，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復合材料(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，所以陶瓷基復合材料之中又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渦扇發動機就采用了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，完成了基于CMC材料的渦輪葉片，并且進行了地面試車，從相關資料來看，基于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材料還可以用于發動機其他部件，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采用了基于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，對于設備功率、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，例如耐電壓是后者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，因此更加適合制作抗輻射、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采用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制提供了有力支撐和保障。