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航空發(fā)動機中的那些非金屬材料

2017-04-14 09:26:22 作者：本網(wǎng)整理來源：熱噴涂與再制造分享至：

    航空發(fā)動機以金屬材料為主，但隨著材料科學的發(fā)展，非金屬材料如陶瓷、復(fù)合材料等越來越多地被運用到發(fā)動機設(shè)計中。這些非金屬材料不僅僅是金屬材料的替代品，有些甚至成為了不可替代的獨立使用的材料。本文就對非金屬材料中的一類——高分子材料進行簡單的介紹。

    高分子材料又稱高聚物、聚合物材料。按照其來源可分為天然高分子材料（存在于動植物中）與合成高分子材料。兩者相比，合成高分子材料更輕，耐磨性、抗腐蝕性、絕緣性更好。按照機械性能及使用狀態(tài)又可分為橡膠、塑料、合成纖維、膠黏劑、涂料五類，下面一一進行介紹。

    一、塑料

    提起塑料，人們的第一反應(yīng)是日常使用的塑料制品。其實塑料可分為三種：通用塑料、工程塑料、特種塑料。

    通用塑料就是我們?nèi)粘Ｊ褂玫乃芰希饕ǎ壕垡蚁⒕勐纫蚁⒕郾揭蚁⒕郾⒎尤┧芰稀被芰系取＿@六類占據(jù)了塑料產(chǎn)量的3/4以上。

    工程塑料指可以作為結(jié)構(gòu)材料用于工程結(jié)構(gòu)中的塑料。這類塑料包括：聚酰胺、聚甲醛、有機玻璃、聚碳酸酯、ABS、聚苯醚、氟塑料等。這些塑料種類具有較好的機械性能和加工穩(wěn)定性，且耐熱性、耐腐蝕性、耐磨性、絕緣性比通用塑料更好，在航空領(lǐng)域可用于蓋板、手柄、管接頭、套筒、膠帶、密封環(huán)、隔膜、電線電纜包覆等。

    特種塑料指具有某些特殊性能的塑料，多用于特殊場合，如醫(yī)療等，這里不做具體介紹。

    二、橡膠

    橡膠是具有高彈性的線性高分子材料，一般在-40℃至80℃范圍內(nèi)都具有高彈性，有些甚至在-100℃或200℃時依然能保持高彈性。其彈性模量很低，變形量通常可達到100%-1000%。除了高彈性外，橡膠還具有良好的耐磨、隔音、絕緣性能，工程中可用于密封、減震、傳動等。

    橡膠的性能受溫度影響較大，有時需加入其它元素以保證其性能，如橡皮就是橡膠硫化后的產(chǎn)物。

圖1 航空發(fā)動機橡膠密封圈

    三、合成纖維

    纖維指能夠保持長度比直徑大100倍以上的均勻條狀或絲狀的高分子材料，可分為天然纖維和化學纖維兩大類，化學纖維又可分為人造纖維和合成纖維。人造纖維指用自然界的纖維加工制成，如人造絲、人造棉等；合成纖維指用石油、煤、天然氣制成，如尼龍、滌綸、腈綸、丙綸等。合成纖維除了在生活中用于織物外，利用其良好的耐磨性、耐久性、耐腐蝕性，在航空發(fā)動機中也應(yīng)用。

    四、合成膠黏劑

    膠黏劑通俗叫法為膠，用于零件的粘結(jié)。由于其操作簡單，接頭處應(yīng)力分布均勻，密封性、絕緣性、耐腐蝕性較好，因此在航空發(fā)動機領(lǐng)域有較多的應(yīng)用。

    同樣，膠黏劑分為兩類：自然膠黏劑和合成膠黏劑，其中合成膠黏劑應(yīng)用更為廣泛。在使用中，不同的材料需選用不同的合成膠黏劑，兩種不同的材料膠接時需選用共同適用的膠黏劑。不同的膠黏劑使用方法也不同，有的需要控制溫度，有的需要先溶入易揮發(fā)溶液中。

    五、涂料

    涂料是一種有機高分子膠體的混合溶液，涂在零部件表面以形成膜。涂料的作用除了美觀外，還可以起到抗氧化、絕緣、隔熱、耐磨、抗腐蝕等作用。

    涂料由粘結(jié)劑、顏料、溶劑和其他輔助材料組成。粘結(jié)劑用于牢固膜和被涂物；顏料除了上色還可以提高膜的強度、耐磨性、耐腐蝕性；溶劑用于稀釋涂料，便于涂抹；輔助材料包括催干劑、增塑劑、固化劑、穩(wěn)定劑等。

    涂料在航空發(fā)動機的各個部位均有應(yīng)用，常見的涂料包括：環(huán)氧樹脂涂料、聚氨酯涂料、有機硅涂料等。

    六、復(fù)合材料

    除了高分子材料外，復(fù)合材料在航空發(fā)動機中也有所應(yīng)用，且越來越廣泛。

    復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上化學本質(zhì)不同的材料通過人工合成形成的材料。其結(jié)構(gòu)為多相，一類為基體，另一類為增強相。這種多相混合結(jié)構(gòu)使得材料在性能上產(chǎn)生互補，達到一加一大于二的效果，綜合性能優(yōu)于各組成相。

    復(fù)合材料按基體類型可分為金屬基復(fù)合材料、高分子基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料，目前前兩類復(fù)合材料應(yīng)用較多；若按材料性能可分為功能復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。功能復(fù)合材料指除機械性能以外還提供其他物理性能的復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料指以承受力的作用為主要用途的復(fù)合材料。在航空領(lǐng)域后者應(yīng)用較多；若按增強相的種類和形狀又可分為顆粒增強復(fù)合材料、纖維增強復(fù)合材料、層狀增強復(fù)合材料。目前常見的為纖維增強復(fù)合材料，如玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、SiC纖維等。

    復(fù)合材料擁有許多優(yōu)秀的性能，同時重量又輕，因此在航空領(lǐng)域備受青睞。下面簡單介紹復(fù)合材料的一些特點。

    一、比強度和比模量

    航空領(lǐng)域，許多設(shè)備和結(jié)構(gòu)不但要求強度高，還需要重量輕。這就要求使用比強度（強度/比重）和比模量（彈性模量/比重）高的材料。復(fù)合材料的這兩個參數(shù)都較為優(yōu)秀，可以滿足設(shè)計要求，如由碳纖維和環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料，其強度是鋼的7倍，比模量比鋼大3倍。

    二、耐疲勞性能

    復(fù)合材料的疲勞破壞是從承載能力比較薄弱的纖維處開始，逐漸擴展到基體與纖維結(jié)合面上。但基體與增強纖維間的界面能夠有效地阻止疲勞裂紋的擴展，因此復(fù)合材料的疲勞極限較高。如碳纖維與聚酯樹脂組成的復(fù)合材料，其疲勞極限是抗拉強度的70-80%，而金屬材料的疲勞極限只有抗拉強度的40-50%。

    三、減震性能

    由于纖維與基體的界面吸振能力強，因此復(fù)合材料的阻尼特性較好，在發(fā)生振動時會加快衰減。同時，由于復(fù)合材料比模量大，提高了其固有頻率，在一定程度上可避免在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振。

    四、耐高溫性能

    由于增強纖維在高溫下仍然可保持一定的強度，因此由增強纖維進行增強的復(fù)合材料也繼承了耐高溫的特性，尤其是金屬基復(fù)合材料。例如由硼纖維或碳纖維增強的金屬基復(fù)合材料，在400℃時其強度和彈性模量與常溫時比基本相同。

    五、斷裂安全性

    由于復(fù)合材料擁有特殊結(jié)構(gòu)，每平方厘米可能擁有上萬根增強纖維，在一部分增強纖維斷裂時，應(yīng)力會重新分布于未斷裂的纖維上，因此斷裂安全性較好。

    目前，復(fù)合材料在航空發(fā)動機上雖依然無法撼動金屬材料的地位，但也已有一定的應(yīng)用，且比例逐步提高。如復(fù)合材料風扇葉片、復(fù)合材料機匣、導管、復(fù)合材料鋪層等等，都是近些年的應(yīng)用成果。但這同時也對復(fù)合材料部件如何滿足適航規(guī)章提出了更高了要求，除了提高復(fù)合材料在航空發(fā)動機上的應(yīng)用比例外，在復(fù)合材料適航符合性驗證方面也需要工業(yè)方以及審查方共同進行更深入的探索。