应用于先进航空发动机的复合材料

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应用于先进航空发动机的复合材料

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澎湃

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航空发动机作为高新技术最集中的领域，其制造技术代表着先进制造技术的最高水平。在追求高性能、轻量化和可靠性的过程中，复合材料的应用日益广泛。本文将详细介绍应用于先进航空发动机的各类复合材料，包括碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料和金属基复合材料。

碳/碳复合材料

碳/碳复合材料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。

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。

陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料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。

树脂基复合材料

树脂基复合材料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。

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

金属基复合材料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。

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。