【复合材料信息】用于先进飞机发动机的复合材料

航空业是高新技术最集中的领域，属于先进的制造技术。比如美国普惠公司开发的F119发动机，通用电气公司的F120发动机，比如法国SNECMA公司的M88-2发动机，英国、德国、意大利和西班牙联合开发的EJ200发动机。值得注意的是，这些代表世界上最先进水平的飞机发动机，其共同特点是采用新材料、新工艺和新技术。以下是分别介绍使用的复合材料：

碳/碳复合材料

碳/碳复合材料是什么？它是一种碳纤维及其织物强化的碳基复合材料，密度低(2.0)g/cm3)、高韧性、高比模量、高传热性、低膨胀系数、良好的摩擦性、良好的耐热冲击性、较高的尺寸稳定性等优点，尤其是在1650℃以上使用的少数候选材料，最高理论温度高达2600℃，因此被称为世界上最有前途的高温材料之一。<2.0g/cm3)、高韧性、高比模量、高传热性、低膨胀系数、摩擦性能好，以及耐热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，特别是在1650℃以上运用的少数候选材料，最高理论温度更高达2600℃，因此被称之为全球最有发展前途的高温材料之一。

虽然碳/碳复合材料具有许多优异的高温性能，但它在400℃以上的有氧环境中会发生氧化反应，从而导致材料的特性急剧下降。所以，在高温有氧环境下，碳/碳复合材料的应用必须采取氧化保护措施。碳/碳复合材料的氧化保护主要通过以下两种方式进行，即在较低的温度下，碳/碳复合材料可以通过基材改性和表面活性点钝化来保护；随着温度的升高，为了达到氧化保护的目的，有必要选择镀层来阻挡碳/碳复合材料与氧的接触。目前最常用的涂层方法是随着科学技术的不断发展，越来越依赖碳/碳复合材料的超高温性能，但在超高温条件下唯一可行的氧化保护方案是涂层保护。

值得注意的是，C/C基复合材料是近年来世界上最受关注的新型耐高温材料。因为只有C/C复合材料被认为是唯一可以作为推重比超过20的后续材料，发动机进口温度可以达到1930-2227℃涡轮转子叶片，曾经是21世纪美国重点发展的耐高温材料，尤其是世界先进工业国家追求的最高战略目标。

所谓C/C基础复合材料，就是碳纤维增强碳的基础复合材料。它将碳的耐熔性与碳纤维的高强度和高刚度相结合，使其表现出非脆性破坏。由于C/C基复合材料具有重量轻、韧性高、热稳定性优异、导热性能优异，是当今最理想的耐高温材料，特别是在1000-1300℃的高温环境下，其强度不但没有降低，反而可以提高。特别是在1650℃以下时，室温环境中的强度和风格仍然保持不变。所以C/C基复合材料在宇航制造业中有很大的发展前景。

值得注意的是，C/C基复合材料在飞机发动机中的应用主要问题之一是抗氧化能力差。因此，近年来，美国通过采取一系列技术措施，逐步在新型发动机上解决了这一问题。比如美国F119发动机上的燃烧室尾喷管，F100发动机喷嘴和燃烧仓喷嘴，F120验证机燃烧仓的部分部件都是C/C基复合材料制成的。另一个例子是法国的M88-2发动机，幻想2000发动机燃烧室的喷油杆、隔热屏、喷嘴等。都是C/C基复合材料。

陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料是什么？这是一种以瓷器为基体和各种纤维复合材料的复合材料。陶瓷基体可以是氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进的陶瓷具有优异的性能，如耐高温、高强度和刚度、相对重量轻、耐腐蚀等。，而致命的弱点是它们是脆性的。当它们处于应力状态时，它们会产生裂纹，甚至会断裂，导致材料无效。而且采用高强、高弹性纤维与基材复合，是提高瓷器韧性和可靠性的有效途径。纤维可以防止裂缝扩展，从而获得具有优异韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料已被用作液体火箭发动机喷嘴、导弹天线罩、航天飞机鼻锥、飞机刹车盘、高档汽车刹车盘等。，这已经成为高科技新材料的重要支撑。

由于陶瓷材料具有良好的耐磨性、高硬度和良好的耐腐蚀性，因此得到了广泛的应用。然而，陶瓷最大的缺点是脆性高，对裂纹和气孔敏感。20世纪80年代以来，陶瓷基复合材料通过在陶瓷材料中添加颗粒、晶须和纤维，大大提高了瓷器的韧性。

陶瓷基复合材料具有高强度、高韧性、低密度、耐高温、耐磨性和良好的韧性，已用于高速切削工具和内燃机零件。但是这种材料发展较晚，其潜力还有待进一步发挥。研究的关键是将其应用于高温材料和耐磨耐腐蚀材料，如大功率内燃机的增强涡轮、航空航天器的热部件、替代金属制品的车辆发动机、石化容器、废物垃圾焚烧处理设施等。

说到瓷器，人们自然会认为它的特点是脆性。十几年前，如果用于工程领域的承重部件，是任何人都无法接受的。直到现在，说到陶瓷复合材料，有些人可能不知道。他们认为瓷器和金属是两种不相关的基本材料。然而，自从人们巧妙地将瓷器与金属结合以来，人们对这种材料的概念发生了根本性的变化，这就是陶瓷复合材料。

在航天工业领域，陶瓷基复合材料是一种非常有前途的新型结构材料，尤其是在飞机发动机制造应用中，其独特性越来越明显。陶基复合材料除了具有重量轻、硬度高的优点外，还具有优异的耐高温、耐高温腐蚀性能。目前，陶瓷基复合材料在耐高温方面已经超过了金属耐热材料，具有良好的机械性能和耐化学性。它是高性能涡轮发动机高温区域的理想材料。

针对下一代先进发动机对材料的要求，世界各国都在重点研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料，并取得了长足的进步，尤其是在现代飞机发动机中。比如美国验证机的F120型发动机，其高压涡轮密封结构，燃烧仓库的一些高温零件，都是陶瓷材料制成的。例如，陶瓷基复合材料用于法国M88-2型发动机燃烧室和喷嘴。

树脂基复合材料

什么是树脂基复合材料？它是一种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、玄武岩纤维或芳纶等纤维增强体。树脂基复合材料广泛应用于航空、汽车和海洋工业。

热固性树脂是复合材料的主要树脂基材。早在20世纪40年代，玻璃纤维增强塑料就被用作战斗机和轰炸机的雷达罩。美国在F-460时代、F-111等军用飞机采用硼纤维增强环氧树脂作为方向舵，水平稳定面，机翼后缘，舵门等。在导弹制造方面，20世纪50年代末，玻璃纤维增强环氧树脂的盘绕制件被用于美国中程潜在导弹“北极星A-2”二级固体火箭发动机外壳，比钢壳轻27%。;之后用高性能玻璃纤维代替普通玻璃纤维制成的“北极星A-3”，使得外壳重量比钢壳轻50%，从而使“北极星A-3”导弹的射程由2700公里提高到4500公里。到了70年代，用芳香聚酰胺纤维代替玻璃纤维增强环氧树脂，强度大大提高，重量减轻。碳纤维增强环氧树脂复合材料广泛应用于飞机、导弹、卫星等结构。

经过60多年的发展，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，GE、PW、RR和MTU、SNECMA等公司在研发树脂基复合材料方面投入了大量精力，取得了长足的进步。它已经工程化地应用于服务航空涡扇发动机，并有进一步扩大应用的趋势。

一般情况下，树脂基复合材料的服务温度不超过350℃。所以，树脂基复合材料主要用于飞机发动机的冷端。

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，与一种或多种金属或非金属增强相结合而成的复合材料。其增强材料多为无机非金属，如瓷器、碳、石墨、硼等。，也可以使用铁丝。它与聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料一起形成现代复合材料体系。

金属基复合材料的特点:在机械方面具有良好的机械性能，如横向和切割强度高、韧性和疲劳，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、无污染等优点。比如碳纤维增强铝复合材料的强度是3~4~4×107mm，比模量6~8~8×109mm，再比如石墨纤维增强镁，不仅比模量可以达到1.5。×1010mm，其热膨胀系数接近零。

值得一提的是，与树脂基复合材料相比，金属基复合材料具有更好的韧性，不吸收水分，耐高温。金属基复合材料的增强纤维包括金属纤维，如不锈钢、钨、铅和镍铝金属之间的化合物。陶瓷纤维，如氧化铝、氧化硅、碳、硼、碳化硅等。

铝、铝、镁、钦及钦合金、耐热合金、钻合金等是金属基复合材料的基材。特别是以铝铿合金、钦及铁合金为基础的复合材料是目前的主要选择对象。例如用碳化硅纤维增强钦合金基材复合材料可以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材复合材料可用于制造涡轮风扇叶片。例如镍铬铝钒纤维增强镍基合金基材复合材料可以用来制造涡轮和压气机的密封元件。

另外，在海外，风扇机箱、转子、压气机盘等部件，都有选用金属基复合材料制造的案例。但是这类复合材料最大的问题之一就是增强纤维与基体金属之间易发生反应，导致材料性能下降。尤其在较高温度下长时间使用，页面反应更加突出。目前的解决办法是根据不同的纤维和基材，在纤维表面加入适度的涂层，合金化基体金属，以缓解页面反应，保持复合材料性能的稳定性。

【使用发动机风扇叶片的材料】

发动机风扇叶片是涡轮风扇发动机的代表性至关重要的部件，涡轮风扇发动机的性能与其发展密切相关。与钛合金风扇叶片相比，树脂基复合风扇叶片具有明显的减重优势。树脂基复合风扇叶片除了具有一定的减重优势外，受到冲击后对风扇外壳的冲击较小，有利于提高风扇外壳的包容性。

复合材料风扇叶片在海外商业化应用中的主要代表是：GE90系列发动机为B777，GEnx发动机为B787，LEAP-X发动机为中国商飞C919。早在1995年，GE90-94B发动机安装了树脂基复合风扇叶片，正式投入商业运营，这意味着树脂基复合材料正式应用于现代高性能飞机发动机。GE公司在充分考虑空气动力学、高低周疲劳循环等因素的基础上，为后续的GE90-115B发动机开发了新型复合风扇叶片。

21世纪，飞机发动机对高损伤能力限制复合材料的强烈需求导致复合材料技术的进一步发展，通过不断提高碳纤维/环氧树脂预浸料的韧性，很难满足高损伤能力限制的需求。因此，3D编织结构复合风扇叶片开始出现。

【发动机风扇机箱所用材料】

发动机机壳是飞机发动机最大的静态部件，其减重将直接影响飞机发动机的推重比和效率。因此，国外先进飞机发动机OEM一直致力于风机机壳的减重和结构调整。

【使用发动机风扇帽罩的材料】

由于是非主承重构件，风扇帽是飞机发动机上最先使用的复合材料制成的组件之一。复合材料制成的风扇帽可以提供更轻、更简单的防冰结构、更好的耐腐蚀性和更好的抗疲劳性能。例如，著名的R.RB211发动机，PW企业PW1000G、PW4000选用树脂基复合材料制作风扇帽。

与飞机发动机主机相比，树脂基复合材料在飞机发动机短舱有着非常广阔的应用空间。树脂基复合材料已广泛应用于短舱进气道、整流罩、反推设备和降噪衬里。在其他部分，树脂基复合材料也在一定程度上应用于航空发动机风扇流道板、轴承密封盖和盖板。

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