隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，一些尖端的科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，因此對(duì)于材料性能提出了更高的要求，傳統(tǒng)的單一的材料已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求。就是在這樣一個(gè)大環(huán)境下，復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。

    就拿復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用為例。傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料（鎳合金和鈦合金）雖然仍然可以進(jìn)一步發(fā)展，但它的發(fā)展空間已經(jīng)不大了，很難滿足未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)更加苛刻的溫度和重量要求。如今，航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷的提高，重量相比過去有了很大的減少，在依靠整體葉盤、整體葉環(huán)、空心葉片和對(duì)轉(zhuǎn)渦輪等新穎結(jié)構(gòu)的同時(shí)，將會(huì)更看重高比強(qiáng)度、低密度、高剛度和耐高溫能力強(qiáng)的先進(jìn)材料。現(xiàn)在，樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和C/C復(fù)合材料因?yàn)榫哂袃?yōu)良的低溫性能，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)等部件的候選材料。

    航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的先進(jìn)復(fù)合材料

    樹脂基復(fù)合材料

    樹脂基復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度和剛度，低的密度和良好的缺陷容限。可考慮在發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部分以及排氣熱回收系統(tǒng)的零件上采用。這種材料的缺點(diǎn)是在大氣中易吸潮變形，不能抗高溫，使用溫度一般不超過280℃。

    樹脂基復(fù)合材料

    現(xiàn)在這種材料的加工工藝比較成熟，已經(jīng)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件，主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵機(jī)匣、靜子葉片、轉(zhuǎn)子葉片、包容機(jī)匣以及發(fā)動(dòng)機(jī)短艙等部件上得到大量應(yīng)用。

    外涵機(jī)匣

    與常規(guī)的鈦合金風(fēng)扇外涵機(jī)匣相比，在保證能夠執(zhí)行所有功能和承受整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的靜態(tài)與飛行載荷的前提下，樹脂基復(fù)合材料制造的外涵機(jī)匣能減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成本。

    復(fù)合材料與鈦合金機(jī)匣

    GE公司的F404發(fā)動(dòng)機(jī)最早由鈦合金的外涵機(jī)匣改進(jìn)為PMR15復(fù)合材料的外涵機(jī)匣，達(dá)到了重量減輕30%和成本減少30%的效果。之后，GE公司又進(jìn)一步將這一技術(shù)應(yīng)用到F414增推型發(fā)動(dòng)機(jī)、GenX發(fā)動(dòng)機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)上。

    美國的普惠公司的F191和F135發(fā)動(dòng)機(jī)以及法國的斯奈克瑪公司的M88發(fā)動(dòng)機(jī)都采用樹脂基復(fù)合材料制造的外涵機(jī)匣。其減輕重量和降低成本的效果都很明顯。

    F404發(fā)動(dòng)機(jī)

    F135發(fā)動(dòng)機(jī)

    GenX的復(fù)合材料機(jī)匣

    靜子葉片

    與鈦合金的靜子葉片相比，樹脂基復(fù)合材料靜子葉片能減輕重量50%，降低成本50%以上。同時(shí)，通過優(yōu)化纖維取向，復(fù)合材料靜子葉片的固有頻率可以被修正，以加大其許用機(jī)械和氣動(dòng)設(shè)計(jì)空間。

    樹脂復(fù)合基葉片

    普惠的PW4084和PW4168發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇靜子葉片采用PR500環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，其中，PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)直徑為3.04米的靜子重量減輕39%、成本減少38%。德國MTU公司在PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)的高速低壓壓氣機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)流葉片和第一級(jí)或第二級(jí)可調(diào)靜子葉片采用PMC復(fù)合材料。這些葉片的抗外損傷能力、抗振動(dòng)特性、抗腐蝕性和結(jié)構(gòu)完整性已經(jīng)得到了驗(yàn)證。

    PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)

    轉(zhuǎn)子葉片

    復(fù)合材料的低密度和高強(qiáng)度特性不僅能減輕重量，而且能使轉(zhuǎn)子葉片具有3維氣動(dòng)設(shè)計(jì)形狀，像掠形葉片、弓形葉片。除了能降低制造成本外，復(fù)合材料轉(zhuǎn)子葉片還具有脫落事故中表現(xiàn)出來的非破壞特性，進(jìn)而降低了包容要求。

    碳纖維樹脂基轉(zhuǎn)子葉片

    風(fēng)扇葉片采用復(fù)合材料不但可以明顯的減輕葉片本身的重量，還能減輕其包容系統(tǒng)、盤以及整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重量，具有低成本、抗振性能好、抗損傷能力強(qiáng)等特點(diǎn)。就目前，GE公司的GenX和GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)采用了高流量彎掠復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和有機(jī)物基材料風(fēng)扇機(jī)匣，還計(jì)劃將進(jìn)一步研究復(fù)合空心葉型高壓比風(fēng)扇。

    GE90發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料葉片

    金屬基復(fù)合材料

    和樹脂基復(fù)合材料相比，金屬基復(fù)合材料具有良好的韌性，不吸潮，能夠耐比較高的溫度。金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維有金屬纖維，如不銹鋼、鎢、被、妮、鎳鋁金屬間化合物等；陶瓷纖維，如氧化鋁、氧化硅、碳、硼、碳化硅、硼化欽等。

    金屬基復(fù)合材料

    金屬基復(fù)合材料的基體材料有鋁、鋁合金、鎂、欽及欽合金、耐熱合金、鉆合金等。其中以鋁鏗合金、欽及鐵合金為基的復(fù)合材料是目前主要選擇對(duì)象。如以碳化硅纖維增強(qiáng)欽合金基體復(fù)合材料可用來制造壓氣機(jī)葉片。碳纖維或氧化鋁纖維增強(qiáng)鎂或鎂合金基體復(fù)合材料可用來制造渦輪風(fēng)扇葉片。又如鎳鉻鋁銥纖維增強(qiáng)鎳基合金基體復(fù)合材料可用來制造渦輪及壓氣機(jī)用的密封元件。

    GE公司為聯(lián)合技術(shù)驗(yàn)證機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃研究了鈦基復(fù)合材料的低壓軸，重量比inco合金減輕30%，剛性比鈦合金提高40%，且壽命和耐用性均有所改善。若F110發(fā)動(dòng)機(jī)采用這種復(fù)合材料軸，重量可減輕68kg。在不久的將來，金屬復(fù)合材料將會(huì)取代鎳、鈦合金，成為未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要材料。

    陶瓷基復(fù)合材料

    陶瓷基復(fù)合材料在航空工業(yè)領(lǐng)域是一種非常有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)材料，特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造應(yīng)用中，越來越顯示它的獨(dú)到之處。陶瓷基復(fù)合材料除了具有重量輕、硬度高的優(yōu)點(diǎn)以外，還具有優(yōu)異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。目前陶瓷基復(fù)合材料在承受高溫方面已經(jīng)超過了金屬耐熱材料，并且在很好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫區(qū)理想的材料。

    陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)

    陶瓷基復(fù)合材料的密度僅為高溫合金的1/3～1/4，其耐高溫和低密度特性是金屬和金屬間化合物無法比擬的，因此，一些發(fā)達(dá)國家一直把陶瓷基復(fù)合材料作為新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的發(fā)展重點(diǎn)。

    目前世界各國針對(duì)下一代先進(jìn)發(fā)動(dòng)以及對(duì)材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增強(qiáng)陶瓷材料。取得了較大的發(fā)展，有的已經(jīng)開始應(yīng)用在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中。如美國的驗(yàn)證機(jī)的F120型發(fā)動(dòng)機(jī)，它的高壓渦輪密封裝置、燃燒室的部分高溫零件，均采用陶瓷材料。法國的M88-2型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復(fù)合材料。

    陶瓷基復(fù)合材料主要應(yīng)用在以下兩方面。

    燃燒室部件：

    早在90年代，GE公司和P&W公司就已經(jīng)使用陶瓷基復(fù)合材料制備燃燒室襯套，該襯套在1200℃環(huán)境下工作可以超過1000h。美國綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃用碳化硅基復(fù)合材料制備火箭筒，現(xiàn)已在第一階段得到驗(yàn)證。

    Sic制備的燃燒室襯套

    渦輪部件：

    作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要的零件之一，渦輪葉片工作在燃燒室出口，是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受熱沖擊最嚴(yán)重的零件，其耐溫能力直接決定著高性能發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提升。陶瓷基復(fù)合材料密度低、耐高溫，對(duì)減輕渦輪葉片重量和降低渦輪葉片冷氣量意義重大。目前，國外已成功運(yùn)用陶瓷基復(fù)合材料制備出耐高溫的渦輪葉片。

    CMC渦輪葉片葉身

    C/C復(fù)合材料

    碳/碳復(fù)合材料是一種新型高溫材料，具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好等一系列優(yōu)異性能。該材料的密度不到2.0g/cm3,僅為鎳基高溫合金的1/4,陶瓷材料的1/2,尤其是這種材料隨著溫度升高（可達(dá)2200℃）其強(qiáng)度不僅不降低，甚至比室溫還高，這是其它材料所無法比擬的獨(dú)特的性能。

    碳纖維復(fù)合材料

    早在80年代初，美國就開始研制碳/碳渦輪盤和渦輪葉片，以后又先后進(jìn)行了F100飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室和噴管試驗(yàn)，JTD試驗(yàn)機(jī)低壓整體渦輪盤及葉片試驗(yàn)，還進(jìn)行可1760地面超速試驗(yàn)。德國、俄羅斯和日本已相繼成功研制渦輪外環(huán)和整體渦輪。

    目前盡管都認(rèn)為碳/碳材料是新型高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的可選材料，但國內(nèi)外都還沒有把碳/碳材料真正用于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，究其原因，關(guān)鍵是以下問題還未得到很好解決：

    1、抗氧化問題，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間長、溫度高，而碳材料在400℃以上就會(huì)開始氧化，這是一個(gè)尖銳矛盾。

    2、碳/碳材料與傳統(tǒng)金屬材料在性能、結(jié)構(gòu)等方面均不相同，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)將不適用于碳/碳材料，必須根據(jù)該材料的特點(diǎn)進(jìn)行特殊、全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這方面的研究需要進(jìn)一步深入。

    3、性能的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性是實(shí)用的前提，對(duì)于復(fù)合材料而言這是一個(gè)難點(diǎn)，要求有相應(yīng)穩(wěn)定的工藝、增強(qiáng)體質(zhì)量、基體質(zhì)量、均勻性等一系列問題，尚需深入研究。

    碳纖維葉片

    隨著對(duì)復(fù)合材料研究工作的不斷深入和科學(xué)家們的不斷探索，加之輔以持續(xù)改進(jìn)的生產(chǎn)和加工工藝，使復(fù)合材料應(yīng)用的普遍性、實(shí)用性、高效性得到了巨大的提高，應(yīng)用前景非常廣闊。但是不可忽視，現(xiàn)在復(fù)合材料在生產(chǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域還存在許多問題，而這些問題也在一定程度上限制了復(fù)合材料的發(fā)展。因此，對(duì)復(fù)合材料的研究仍將繼續(xù)下去。

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責(zé)任編輯：龐雪潔

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