【复材资讯】应用于先进的航空发动机的复合材料

航空制造是高新技术最集中的领域，属于先进制造技术。比如美国普惠公司研制的F119发动机，通用电气公司的F120发动机，比如法国的SNECMA公司的M88-2发动机，再比如英国、德国、意大利和西班牙四国联合研制的EJ200发动机。值得一提的是，这些代表全球最先进水平的航空发动机，其共同特点是采用了新材料、新工艺和新技术。下面就分别介绍所使用的复合材料如下：

碳/碳复合材料

什么是碳/碳复合材料？它是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料，具有低密度(<2.0g/cm3)、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，尤其是在1650℃以上应用的少数备选材料，最高理论温度更高达2600℃，因此被认为是全球最有发展前途的高温材料之一。

虽然碳/碳复合材料有很多十分优良的高温性能，但它在温度高于400℃的有氧环境中发生氧化反应，从而导致材料的性能急剧下降。所以，碳/碳复合材料在高温有氧环境下的应用必须有氧化防护措施。碳/碳复合材料的氧化防护主要通过以下两种途径，即在较低的温度下可以采取基体改性和表面活性点的钝化对碳/碳复合材料进行保护；随着温度的升高，则必须采用涂层的方法来隔绝碳/碳复合材料与氧的直接接触，以达到氧化防护的目的。当前使用最多的是涂层的方法，随着科技不断进步，对碳/碳复合材料超高温性能的依赖越来越多，而在超高温条件下唯一可行的氧化防护方案只能是涂层防护。

值得一提的是，C/C基复合材料是近一些年来全球最受重视的一种更耐高温的新材料。因为只有C/C复合材料是被认为唯一可做为推重比20以上，发动机进口温度可达1930-2227℃涡轮转子叶片的后继材料，曾经是美国21世纪重点发展的耐高温材料，尤其是全球先进工业国家拼力追求的最高战略目标。

所谓C/C基复合材料，就是碳纤维增强碳基本复合材料，它把碳的耐熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体，使其呈现出非脆性破坏。由于C/C基复合材料具有重量轻、高强度，优越的热稳定性和极好的热传导性，因此，是当今最理想的耐高温材料，特别是在1000-1300℃的高温环境下，它的强度不仅没有下降，反而能够提高。特别是在1650℃以下时仍然还保持着室温环境下的强度和风度。因此C/C基复合材料在宇航制造业中具有非常大的发展潜力。

值得一提的是，C/C基复合材料在航空发动机应用的一个主要问题是抗氧化性能较差，所以，近几年美国通过采取一系列的工艺措施，让这一问题获得解决，并且逐步应用在新型发动机上。比如美国的F119发动机上的加力燃烧室的尾喷管，F100发动机的喷嘴及燃烧室喷管，F120验证机燃烧室的部分零件都已经采用了C/C基复合材料制造。再比如法国的M88-2发动机，幻影2000型发动机的加力燃烧室喷油杆、隔热屏、喷管等也都采用了C/C基复合材料。

陶瓷基复合材料

什么是陶瓷基复合材料？它是一种以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料已用作液体火箭发动机喷管、导弹天线罩、航天飞机鼻锥、飞机刹车盘和高档汽车刹车盘等，成为高技术新材料的一个重要分支。

由于陶瓷材料具备优良的耐磨性，并且硬度高、耐蚀性好，因此获得了非常广泛应用。但是，陶瓷的最大缺点是脆性大，对裂纹、气孔等很敏感。20世纪80年代以来，通过在陶瓷材料中加入颗粒、晶须及纤维等得到的陶瓷基复合材料，让陶瓷的韧性大大提高。

陶瓷基复合材料具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐磨耐蚀和良好的韧性，已用于高速切削工具和内燃机部件上。但这类材料发展较晚，其潜能尚待进一步发挥。研究重点是将其应用于高温材料和耐磨、耐蚀材料，比如大功率内燃机的增强涡轮、航空航天器的热部件以及代替金属制造车辆发动机、石油化工容器、废物垃圾焚烧处理设备等。

说到陶瓷，人们很自然想到它的特点就是脆性。十几年前，如果把它用于工程领域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到现在说到陶瓷复合材料，可能有些人不清楚，认为陶瓷和金属原本就是两种不相关的基本材料，但是自从人们巧妙地将陶瓷和金属结合后，才使人们对这种材料的概念发生了根本的变化，这就是陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料在航空工业领域是一种十分有发展前途的新型结构材料，尤其是在航空发动机制造应用中，越来越显示出它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻，硬度高的优点以外，还具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性能。目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超过了金属耐热材料，并具有很好的力学性能和化学稳定性，是高性能涡轮发动机高温区理想的极好材料。

全球各国针对下一代先进发动机对材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料，并取得了很大的进展，尤其应用在现代航空发动机中。比如美国验证机的F120型发动机，它的高压涡轮密封装置，燃烧室的部分高温零件，均采用了陶瓷材料。再比如法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。

树脂基复合材料

什么是树脂基复合材料？它是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常使用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶等纤维增强体。树脂基复合材料在航空、汽车、海洋工业中有十分广泛的应用。

复合材料的树脂基体以热固性树脂为主。早在40年代，在战斗机、轰炸机上就开始采用玻璃纤维增强塑料作雷达罩。60年代，美国在F-4、F-111等军用飞机上采用了硼纤维增强环氧树脂作方向舵、水平安定面、机翼后缘、舵门等。在导弹制造方面，到了50年代后期，美国中程潜地导弹“北极星A-2”第二级固体火箭发动机壳体上就采用了玻璃纤维增强环氧树脂的缠绕制件，较钢质壳体轻27%;后来采用高性能的玻璃纤维代替普通玻璃纤维造“北极星A-3”，使壳体重量较钢制壳体轻50%，从而使“北极星A-3”导弹的射程由2700千米增加到4500千米。到了70年代，采用芳香聚酰胺纤维代替玻璃纤维增强环氧树脂，强度又大幅度提高，而重量减轻。碳纤维增强环氧树脂复合材料在飞机、导弹、卫星等结构上得到十分广泛的应用。

树脂基复合材料在航空涡扇发动机上的应用研究始于20世纪50年代，经过60余年的发展，GE、PW、RR以及MTU、SNECMA等公司投入了大量精力进行树脂基复合材料研发，取得了很大进展，已经将其工程化应用到现役航空涡扇发动机，并且还有进一步扩大应用量的趋势。

树脂基复合材料的服役温度一般不超过350℃。因此，树脂基复合材料主要应用于航空发动机的冷端。

金属基复合材料

什么是金属基复合材料？它是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，比如陶瓷、碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。它与聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料一起构成现代复合材料体系。

金属基复合材料特点：在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。比如碳纤维增强铝复合材料其比强度3~4×107mm，比模量为6~8×109mm，再比如石墨纤维增强镁不仅比模量可达1.5×1010mm，而且其热膨胀系数几乎接近零。

值得一提的是，和树脂基复合材料相比，金属基复合材料具有良好的韧性，不吸潮，能够耐比较高的温度。金属基复合材料的增强纤维有金属纤维，比如不锈钢、钨、铅、镍铝金属间化合物等；陶瓷纤维，如氧化铝、氧化硅、碳、硼、碳化硅等。

金属基复合材料的基体材料有铝、铝合金、镁、钦及钦合金、耐热合金、钻合金等。其中以铝铿合金、钦及铁合金为基的复合材料是目前主要选择对象。比如以碳化硅纤维增强钦合金基体复合材料可用来制造压气机叶片。碳纤维或氧化铝纤维增强镁或镁合金基体复合材料可用来制造涡轮风扇叶片。又比如镍铬铝铱纤维增强镍基合金基体复合材料可用来制造涡轮及压气机用的密封元件。

另外，风扇机匣、转子、压气机盘等零件，国外都有采用金属基复合材料制造的实例。但这种复合材料存在的最大问题之一是增强纤维和基体金属之间容易发生反应而产生脆性相，使材料性能变差。尤其是在较高温度下长时使用，界面的反应更为突出。当前解决的办法是根据不同纤维、不同基体，在纤维表面加适当涂层，以及对基体金属进行合金化，以减缓界面的反应，保持复合材料性能的可靠性。

【发动机风扇叶片使用的材料】

发动机风扇叶片，是涡扇发动机最具代表性的非常重要的零件，涡扇发动机的性能与它的发展息息相关。与钛合金风扇叶片相比，树脂基复合材料风扇叶片具有十分明显的减重优势。除具有明显的减重优势之外，树脂基复合材料风扇叶片受撞击后对风扇机匣的冲击较小，因此，有利于提升风扇机匣包容性。

国外商业化应用的复合材料风扇叶片的主要代表有：为B777配套的GE90系列发动机，为B787配套的GEnx发动机，同时还有为中国商飞C919配套的LEAP-X发动机。早在1995年，装配树脂基复合材料风扇叶片的GE90-94B发动机正式投入商业运营，标志着树脂基复合材料在现代高性能航空发动机上正式实现工程化应用。在综合考虑空气动力学、高低周疲劳循环等因素的基础上，GE公司又为后续的GE90-115B发动机研制了新的复合材料风扇叶片。

21世纪，航空发动机对高损伤容限复合材料的强烈需求牵引着复合材料技术进一步发展，而通过不断提高碳纤维/环氧树脂预浸料韧性的方法已经很难满足高损伤容限的要求。由此，3D编织结构复合材料风扇叶片开始出现。

【发动机风扇机匣使用的材料】

发动机风扇机匣是航空发动机最大的静止部件，它的减重将会直接影响航空发动机的推重比与效率。因此，国外先进航空发动机OEM也始终致力于风扇机匣的减重与结构优化工作。

【发动机风扇帽罩使用的材料】

由于是非主承力构件，风扇帽罩是航空发动机上最先使用的复合材料制造的部件之一，使用复合材料制造的风扇帽罩可以提供更轻的重量、简化的防冰结构、更好的耐蚀性以及更优异的抗疲劳性能。比如著名的R.R公司的RB211发动机、PW公司PW1000G、PW4000采用树脂基复合材料制备风扇帽罩。

相比航空发动机主机，树脂基复合材料在航空发动机短舱具有十分广阔的应用空间，全球厂商已经在短舱进气道、整流罩、反推装置、降噪声衬部位大规模使用树脂基复合材料。在其他部位方面，在航空发动机风扇流道板、轴承封严盖、盖板等部位也在不同程度的应用树脂基复合材料。

来源：航空发动机人

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原标题：《【复材资讯】应用于先进的航空发动机的复合材料》

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