隨著科學技術的快速發展，一些尖端的科學技術突飛猛進，因此對于材料性能提出了更高的要求，傳統的單一的材料已經遠遠不能滿足實際的生產需求。就是在這樣一個大環境下，復合材料應運而生。

    就拿復合材料在航空發動機上的應用為例。傳統的航空發動機材料（鎳合金和鈦合金）雖然仍然可以進一步發展，但它的發展空間已經不大了，很難滿足未來航空發動機更加苛刻的溫度和重量要求。如今，航空發動機性能不斷的提高，重量相比過去有了很大的減少，在依靠整體葉盤、整體葉環、空心葉片和對轉渦輪等新穎結構的同時，將會更看重高比強度、低密度、高剛度和耐高溫能力強的先進材料。現在，樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料和C/C復合材料因為具有優良的低溫性能，已成為航空發動機風扇和壓氣機等部件的候選材料。

    航空發動機上應用的先進復合材料

    樹脂基復合材料

    樹脂基復合材料具有較高的強度和剛度，低的密度和良好的缺陷容限。可考慮在發動機壓氣機部分以及排氣熱回收系統的零件上采用。這種材料的缺點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℃。

    樹脂基復合材料

    現在這種材料的加工工藝比較成熟，已經應用于航空發動機冷端部件，主要是在發動機的外涵機匣、靜子葉片、轉子葉片、包容機匣以及發動機短艙等部件上得到大量應用。

    外涵機匣

    與常規的鈦合金風扇外涵機匣相比，在保證能夠執行所有功能和承受整臺發動機的靜態與飛行載荷的前提下，樹脂基復合材料制造的外涵機匣能減輕發動機的重量，減少發動機的研制成本。

    復合材料與鈦合金機匣

    GE公司的F404發動機最早由鈦合金的外涵機匣改進為PMR15復合材料的外涵機匣，達到了重量減輕30%和成本減少30%的效果。之后，GE公司又進一步將這一技術應用到F414增推型發動機、GenX發動機等發動機上。

    美國的普惠公司的F191和F135發動機以及法國的斯奈克瑪公司的M88發動機都采用樹脂基復合材料制造的外涵機匣。其減輕重量和降低成本的效果都很明顯。

    F404發動機

    F135發動機

    GenX的復合材料機匣

    靜子葉片

    與鈦合金的靜子葉片相比，樹脂基復合材料靜子葉片能減輕重量50%，降低成本50%以上。同時，通過優化纖維取向，復合材料靜子葉片的固有頻率可以被修正，以加大其許用機械和氣動設計空間。

    樹脂復合基葉片

    普惠的PW4084和PW4168發動機風扇靜子葉片采用PR500環氧樹脂基復合材料，其中，PW4084發動機直徑為3.04米的靜子重量減輕39%、成本減少38%。德國MTU公司在PW8000發動機的高速低壓壓氣機的進口導流葉片和第一級或第二級可調靜子葉片采用PMC復合材料。這些葉片的抗外損傷能力、抗振動特性、抗腐蝕性和結構完整性已經得到了驗證。

    PW4084發動機

    轉子葉片

    復合材料的低密度和高強度特性不僅能減輕重量，而且能使轉子葉片具有3維氣動設計形狀，像掠形葉片、弓形葉片。除了能降低制造成本外，復合材料轉子葉片還具有脫落事故中表現出來的非破壞特性，進而降低了包容要求。

    碳纖維樹脂基轉子葉片

    風扇葉片采用復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、盤以及整個轉子系統的重量，具有低成本、抗振性能好、抗損傷能力強等特點。就目前，GE公司的GenX和GE90-115B發動機采用了高流量彎掠復合材料風扇葉片和有機物基材料風扇機匣，還計劃將進一步研究復合空心葉型高壓比風扇。

    GE90發動機復合材料葉片

    金屬基復合材料

    和樹脂基復合材料相比，金屬基復合材料具有良好的韌性，不吸潮，能夠耐比較高的溫度。金屬基復合材料的增強纖維有金屬纖維，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。

    金屬基復合材料

    金屬基復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合材料是目前主要選擇對象。如以碳化硅纖維增強欽合金基體復合材料可用來制造壓氣機葉片。碳纖維或氧化鋁纖維增強鎂或鎂合金基體復合材料可用來制造渦輪風扇葉片。又如鎳鉻鋁銥纖維增強鎳基合金基體復合材料可用來制造渦輪及壓氣機用的密封元件。

    GE公司為聯合技術驗證機發動機計劃研究了鈦基復合材料的低壓軸，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發動機采用這種復合材料軸，重量可減輕68kg。在不久的將來，金屬復合材料將會取代鎳、鈦合金，成為未來航空發動機的主要材料。

    陶瓷基復合材料

    陶瓷基復合材料在航空工業領域是一種非常有發展前途的新型結構材料，特別是在航空發動機制造應用中，越來越顯示它的獨到之處。陶瓷基復合材料除了具有重量輕、硬度高的優點以外，還具有優異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。目前陶瓷基復合材料在承受高溫方面已經超過了金屬耐熱材料，并且在很好的力學性能和化學穩定性，是高性能渦輪發動機高溫區理想的材料。

    陶瓷基復合材料發動機

    陶瓷基復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，一些發達國家一直把陶瓷基復合材料作為新一代航空發動機材料的發展重點。

    目前世界各國針對下一代先進發動以及對材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增強陶瓷材料。取得了較大的發展，有的已經開始應用在現代航空發動機中。如美國的驗證機的F120型發動機，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型發動機的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復合材料。

    陶瓷基復合材料主要應用在以下兩方面。

    燃燒室部件：

    早在90年代，GE公司和P&W公司就已經使用陶瓷基復合材料制備燃燒室襯套，該襯套在1200℃環境下工作可以超過1000h。美國綜合高性能渦輪發動機技術計劃用碳化硅基復合材料制備火箭筒，現已在第一階段得到驗證。

    Sic制備的燃燒室襯套

    渦輪部件：

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

    CMC渦輪葉片葉身

    C/C復合材料

    碳/碳復合材料是一種新型高溫材料，具有重量輕、模量高、比強度大、熱膨脹系數低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好等一系列優異性能。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2200℃）其強度不僅不降低，甚至比室溫還高，這是其它材料所無法比擬的獨特的性能。

    碳纖維復合材料

    早在80年代初，美國就開始研制碳/碳渦輪盤和渦輪葉片，以后又先后進行了F100飛機發動機的燃燒室和噴管試驗，JTD試驗機低壓整體渦輪盤及葉片試驗，還進行可1760地面超速試驗。德國、俄羅斯和日本已相繼成功研制渦輪外環和整體渦輪。

    目前盡管都認為碳/碳材料是新型高性能航空發動機熱端部件的可選材料，但國內外都還沒有把碳/碳材料真正用于發動機的轉動部件，究其原因，關鍵是以下問題還未得到很好解決：

    1、抗氧化問題，由于航空發動機工作時間長、溫度高，而碳材料在400℃以上就會開始氧化，這是一個尖銳矛盾。

    2、碳/碳材料與傳統金屬材料在性能、結構等方面均不相同，傳統的設計將不適用于碳/碳材料，必須根據該材料的特點進行特殊、全新的結構設計，這方面的研究需要進一步深入。

    3、性能的穩定性、再現性是實用的前提，對于復合材料而言這是一個難點，要求有相應穩定的工藝、增強體質量、基體質量、均勻性等一系列問題，尚需深入研究。

    碳纖維葉片

    隨著對復合材料研究工作的不斷深入和科學家們的不斷探索，加之輔以持續改進的生產和加工工藝，使復合材料應用的普遍性、實用性、高效性得到了巨大的提高，應用前景非常廣闊。但是不可忽視，現在復合材料在生產和應用領域還存在許多問題，而這些問題也在一定程度上限制了復合材料的發展。因此，對復合材料的研究仍將繼續下去。

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責任編輯：龐雪潔

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