原文出自  Coatings 期刊：

Fang, G.; Gao, X.; Song, Y. A Review on Ceramic Matrix Composites and Environmental Barrier Coatings for Aero-Engine: Material Development and Failure Analysis. Coatings 2023, 13, 357.  https://doi.org/10.3390/coatings13020357

文章导读

陶瓷基体复合材料 (CMC) 在航空、航天、核能等领域具有广泛的应用前景，特别是在航空发动机的热端部件领域。近期，南京航空航天大学宋迎东教授团队在  Coatings 期刊发表了题为“航空发动机陶瓷基复合材料/环境障碍涂层研究进展”的综述文章。

研究背景

新一代航空发动机的这些热端部件的运行温度将达到 1400 ℃ 以上，远远超过传统高温合金材料所能承受的温度范围。CMC 作为一种优良的高温性能材料，是最有潜力取代超合金的新型热结构/功能材料。在航空发动机中，以 SiCf/SiC 为代表的 CMC 主要用于燃烧室衬套、涡轮叶片等部件。该材料可使工作温度提高 400~500 ℃，并使重量降低 50%~70%。然而，随着航空发动机热端部件工作温度的升高，对材料性能的要求越来越高。CMC 部件表面需要制备环境障碍涂层 (EBC) 才能保持耐久性。因此，CMC/EBC 的集成设计起着更重要的作用。由于 CMC/EBC 通常用于极端使用环境，涂层剥离、裂纹等损伤现象不可避免。同时，由于高温、高压等复杂的载荷，CMC/EBC 的内部微观结构发生了不可控制的变化。在实际运行条件下开发高性能 CMC/EBC 系统非常重要，为该系统开发失效预测工具也尤为重要。利用实验方法开发性能优异的 CMC/EBC 是一个非常复杂和昂贵的过程，有许多未知因素需要进一步探索和长期存在。失效模型可以帮助在特定目标条件下找到最佳的制造方法和材料结构。为了开发 CMC/EBC，需要获取各种 CMC 和 EBC 的物理性能、缺陷和损伤特性 (孔隙和微裂纹) 以及相关失效机理，然后建立有效的预测模型。本综述即为了讨论这一领域的相关成果和发展趋势。

研究内容

本综述首先梳理了 CMC 和 EBC 材料体系的发展历程。EBC 不同于传统的热障涂层 (TBC)，TBC 主要用于保护高温合金，高温合金比 CMC 具有更好的抗氧化性。TBC 通常由低导热材料组成，其主要作用是降低高温合金的表面温度。引入 EBC 的主要目的是提高 CMC 在燃气环境中的抗氧化、腐蚀能力。根据 EBC 的最新设计理念，EBC 通常包含四层，顶层设计为高温涂层，中间层用来耗散热机械能，环境屏障层用来阻止腐蚀和氧化，粘结层在涂层/本体界面上连接两种材料。这些功能导致了涂层和本体之间更紧密的联系，也使得 CMC 本体与 EBC 的集成设计成为一项更具挑战性的工作。最新的研究主要集中在优化 EBC 制备工艺，使涂层与 CMC 本体更好的匹配性。实际上，我们更需要推动开发 CMC/EBC 整体设计的方法。

其次，作者对 CMC/EBC 体系的失效机理进行了探讨。现有工作大多致力于研究 CMC 和 EBC 的失效模式。然而，CMC 本体和 EBC 涂层内部的损伤是相互影响、相互耦合的。在热机械载荷下 CMC 内部会发生纤维断裂和基体裂纹，而蒸汽环境可能诱发 EBC 开裂和氧化。随后，本体和涂层中裂纹的传播可能相互影响并相互合并。也就是说，CMC 预制体细观结构显著影响着 EBC 的损伤演化模式；同样，涂层性能对 CMC 的失效过程也有显著影响。因此，在分析 CMC/EBC 体系的失效机理时，有必要考虑涂层性能和本体预制体细观结构的协同效应。

最后，作者对 CMC/EBC 失效模型的现状进行了综述。现有大部分研究都致力于开发 CMC 和 EBC 各自的失效模型。然而，CMC/EBC 失效预测的理想模型必须考虑涂层性能和 CMC 预制体结构的协同效应。目前来看，这样的模型并不多。此前，作者建立了一个数值模型来研究 CMC/EBC 中涂层性能和纤维结构对热应力演化的协同效应。EBC 涂层和 CMC 本体的微观结构在 FE 模型中被精确建模。结果表明，涂层的性能和纤维预制体结构对应力分布都有显著的影响。因此，可以得出结论，CMC/EBC 的失效模型需要表征纤维预制体和涂层体系的真实细观结构。

总结与展望

为了提高 CMC/EBC 在燃烧气体环境中的耐久性，在过去的 40 年里，人们开发了不同的复合材料工艺并更新了几代涂层体系。大部分研究工作致力于优化制备工艺，并获得这些材料在航空发动机燃烧气体环境下的详细性能数据。单独评估 CMC 和 EBC 的失效并不是一个简单的任务，对 CMC/EBC 体系进行一体化分析则更为困难。因此，本综述对 CMC 本体和 EBC 涂层的材料特性、失效机理和失效建模进行了总结，讨论了各种失效分析方法的特点，随后对分析模型技术的发展进行概述。到目前为止，CMC 和 EBC 的失效分析仍然是独立进行的。CMC 和 EBC 损伤相互作用机制和影响尚无明确、完整的表征。

Coatings 期刊介绍

主编：Alessandro Lavacchi, Istituto di Chimica dei Composti OrganoMetallici (ICCOM-CNR), Italy; Wei Pan, Tsinghua University, China

期刊专注于发表涂层、表面、界面及薄-厚膜领域的研究成果，刊载研究论文、综述及短讯，鼓励学者发表详细的实验和理论结果。

2021 Impact Factor：3.236

2021 CiteScore：3.9

Time to First Decision：14.3 Days

Time to Publication：33 Days

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