太空中的微重力环境特别适合进行某些材料的生产制备，陶瓷基复合材料是其中之一。未来如果能解决生产和运输成本的问题，在太空中生产陶瓷材料的零部件可能会成为热点方向。

在国际空间站（ISS）上面，由Made in Space（MIS）公司开发的“涡轮陶瓷制造模块”（TCMM）已经在太空中制造了一个陶瓷基复合材料（CMC）零件。这个零件的制造证明了喷气发动机零件的增材制造潜力，在太空的环境中进行制造，有助于零件得到更高的强度和更低的重量。

在试验过程中TCMM的设备自主运行，它采用光固化成型（SLA）技术和“陶瓷预制造树脂”（pre-ceramic resin）来对这些CMC零件进行制造。该零件是一个整体叶盘，它将和其他在近期生产的测试试件一起，在2021年1月初随SpaceX的“龙II”飞船返回地球。在这些预成形的零件制返回地球后，它们就将进行烧结，制造成最终的CMC零件。

烧结前后的陶瓷涡轮叶盘

MIS公司是Redwire公司的一个子公司，TCMM则是作为美国国家实验室的一项实验，于10月初随诺斯罗普·格鲁门公司的第14次补给任务带到国际空间站的。

TCMM是MIS公司四个运往ISS进行太空增材制造的设备之一。Redwire公司表示，在ISS上进行的制造技术演示旨在评估微重力下陶瓷零件增材制造的潜力，而在微重力环境下，增材制造的零件具有更高的强度和更低的残余应力，可以为涡轮机械提供耐高温的增强型CMC零件，从而使其具有更高的性能。

NASA对在ISS上微重力环境下TCMM的研究描述为“具有潜在的对传统航空制造业的优势”。MIS公司总裁Tom Campbell在12月2日表示，在太空中制造的这些零件是一个重大的里程碑，有可能成为地球低轨道商业活动的新市场潜力。Redwire正在开发先进的制造工艺，以地面上的需求来创造人们太空中可持续工作的能力。

MIS公司正在与HRL实验室和Sierra Turbines的技术合作伙伴一起开发将该技术商业化。其中HRL由波音和通用汽车公司共同成立，针对陶瓷材料的制备，本次太空制造用的“陶瓷预制造树脂”，就是一种由HRL开发出的悬混着陶瓷颗粒的液态树脂类材料。这种材料可以采用增材制造，利用紫外线照射等手段将其固化，打印出预期的形状，然后再用高温烧结，从而转变为致密的陶瓷材料。

图中的网格结构就是用“陶瓷预制造树脂”打印出来的，在要求不高时甚至可以用喷枪来烧结

MIS在ISS上采用的是类似SLA的工艺，而在太空中将特别有利于处理这种陶瓷颗粒悬混液，因为微重力环境几乎消除了陶瓷颗粒的沉降。因此与地面上进行同样的制造相比，在太空中制造的CMC零件具有更均匀的质地、更低的孔隙率和残余应力，从而使零件强度更高、重量更轻。虽然这样的生产方式成本很高，但对于一些特殊需求的涡轮机，即使能使强度提高1%~2％，其使用寿命也可以增加长达数十年。

TCMM的涡轮叶盘在“陶瓷预制造树脂中”的投影

CMC材料的传统生产方式

国外CMC材料生产制备工艺经过几十年的发展已经趋于成熟，主要包括化学气相渗透（CVI）工艺、聚合物先驱体浸渍裂解（PIP）工艺和熔渗（MI）工艺。

三种工艺的区别主要在于碳化硅基体的致密化方式不同，因此，制备工艺可直接影响复合材料中碳化硅基体的微观结构及组成，进而影响与基体相关的各项材料性能。CVI工艺在制备大型、薄壁、复杂构件方面具有其独到优势；PIP工艺制备的材料孔隙率较高，在航空领域尚无应用实例，但因其工艺简单、基本组分可设计性强，在航天领域应用广泛；MI工艺制造的材料孔隙率低，是长时服役下保障材料可靠性的基本要求之一，同时具有生产周期短、成本低、可批量化生产的优势，使其更加适用于航空领域。故应根据应用领域和使用场合的不同， 统筹考虑经济性和技术可行性，有针对性地选择更合适的工艺。

3种CMC材料制备方式的优缺点

各国在CMC制备工艺方面均开展了大量研究，其中法国以CVI 技术为主，技术水平属国际领先；日本主要开展PIP工艺的研究；德国在MI技术领域技术世界领先；美国在PIP、CVI 和MI工艺上均有较高的研究水平。GE航空是目前在航空发动机上应用CMC材料最多的公司，他们主要采用的是MI工艺。

国外不同型号的CMC材料和性能。

我国在连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究方面起步相对较晚，目前具备构件研制和小批量生产能力，但相比较国外仍有明显的差距。

近年来通过国家项目的支持，目前国内相关高校和研究单位在航空发动机用连续纤维增强CMC材料和构件制造技术方面已取得一定的技术突破，形成了较为完备的CVI和PIP工程化制造技术体系。

中航复材公司在CMC材料制造技术方面经过十多年的努力，开展了大量的工程化应用研究，并突破了多项制约CMC部件工程化制造应用的关键技术。中航复材研制的某款CMC材料热结构件已通过某型发动机的模拟器考核，另一款CMC热结构件也某型国产发动机上进行替代部件考核，上述考核均达到了国际同类CMC热结构件的先进水平。除了结构件以外，在功能性CMC材料和部件，如透波陶瓷材料、雷达/红外隐身功能陶瓷材料等方面也取得了重要进展。

2019年北京航展上，中国航发展示了一些CMC材料的部件，如涡轮叶盘、涡轮导向器叶片等，表明我国在这个领域也在紧跟先进技术发展。另外，据航发展台工作人员介绍，这些零件是企业与大学联合研发的，这也说明我国大学科研能力向产品应用的转化能力进一步提高。（摄影：颜思铭）

在2016年，西北工业大学与航空工业强度所进行陶瓷基复合材料测试专项合作，主要目的是针对航空发动机材料测试研究进行小专项合作，系统地联合建立陶瓷基复合材料测试平台，还要建立更为广泛的陶瓷基复合材料研究与验证中心，发挥大学与航空院所各自的专业优势，在材料研究和发动机研究两方面形成互补。

发动机上的CMC材料应用

国外多家航空发动机厂商在陶瓷基复合材料考核与应用方面均做出了很多尝试，并取得了非常不错的效果。陶瓷基复合材料代替高温合金已成为航空发动机高温材料领域的趋势。

CMC对于该图显示的和各种航空发动机零部件都是不错选择

喷管密封片等部件

赛峰利用CVI工艺制备的CMC材料气锥在CFM56发动机上已经进行大量飞行测试，该零件实现减重35%，并可使高温发动机气体与涵道冷空气达到最佳混合比例。NASA和GE研制的CMC喷管调节片、密封片已实现产品化，应用在F100、F110、F119、F136等多种型号的军用发动机中。

赛峰采用CMC材料制造的发动机气锥

涡轮罩环、导向叶片等部件

GE已将CMC材料应用在F136军用发动机的低压涡轮三级导向器上，设计工作温度最高达1200℃，大幅减少了冷却用气量。

LEAP发动机是首款应用了CMC材料的商用发动机，但只有一级高压涡轮罩环应用了该材料。GE9X发动机应用了5种CMC材料部件：燃烧室内/外衬、高压涡轮一级导向器叶片、二级导向器叶片、一级高压涡轮罩环。GE公司估计GE9X发动机采用陶瓷基复合材料涡轮转子叶片将降低总重约455千克。目前，GE9X发动机已经取得FAA认证，并安装在波音777X上进行试飞。

LEAP发动机上的CMC材料涡轮叶片罩环

转子叶片

2015年2月，GE在F414发动机验证机上面成功完成了CMC材料的低压涡轮转子叶片的耐高温和耐久性验证试验，试验经历了500个循环，成功验证了世界上首个运动组件的CMC材料部件。

GE公司采用F414发动机验证机进行CMC材料的低压涡轮叶片测试，其中灰黑色的是CMC叶片，金黄色的是普通的高温合金叶片。