導(dǎo)讀：復(fù)合化是新材料的重要發(fā)展方向，也是新材料的重要組成部分和最具生命力的分支之一。航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用最廣泛的先進(jìn)復(fù)合材料有：樹脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料，它們替代了傳統(tǒng)材料，擁有顯著的減重效果。

    下面介紹一下航空發(fā)動(dòng)機(jī)上復(fù)合材料的典型應(yīng)用案例

    樹脂基復(fù)合材料

    樹脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、便于大面積整體成型以及具有特殊電磁性能等特點(diǎn)。國(guó)外的樹脂基復(fù)合材料減重效率在25%以上。樹脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵機(jī)匣、進(jìn)氣機(jī)匣、風(fēng)扇靜子葉片、壓氣機(jī)靜子葉片、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片、包容機(jī)匣和升力風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)軸上。

GE90系列發(fā)動(dòng)機(jī)采用樹脂基復(fù)合材料制成的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片

    陶瓷基復(fù)合材料

    陶瓷基復(fù)合材料具有類似金屬的斷裂行為、對(duì)裂紋不敏感、沒有災(zāi)難性損毀，是軍用和民用發(fā)動(dòng)機(jī)不可或缺的高溫材料。其中應(yīng)用最廣泛的是氮化硅基復(fù)合材料。

    與高溫合金和單相陶瓷相比，陶瓷基復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)有：密度低，僅為高溫合金的1/4～1/3；具有很好的耐高溫能力，只需較少氣體冷卻或根本不需要冷卻；具有較高的氧化穩(wěn)定性，使用該材料的高溫部件可以不使用昂貴且沉重的隔熱涂層或氧化保護(hù)涂層。陶瓷基復(fù)合材料主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪和噴管等部件上。

斯奈克瑪公司將自愈合陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用于研制燃燒室火焰筒和火焰穩(wěn)定器

    從2015年起，GE公司開始在GEnx驗(yàn)證機(jī)上開展包含燃燒室火焰筒內(nèi)外環(huán)、第一級(jí)高壓渦輪罩環(huán)、第二級(jí)渦輪導(dǎo)向器、渦輪轉(zhuǎn)子葉片的陶瓷基復(fù)合材料部件試驗(yàn)，來驗(yàn)證整套熱端部件的功能性和耐久性。GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷基復(fù)合材料渦輪轉(zhuǎn)子葉片能夠?qū)崿F(xiàn)葉片減重2/3，耐溫提高20%，對(duì)耗油率改善的貢獻(xiàn)率達(dá)30%；而使用陶瓷基復(fù)合材料的燃燒室火焰筒能以更少的冷卻空氣量應(yīng)對(duì)更高的溫度，改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

GE公司采用陶瓷基復(fù)合材料葉片的渦輪轉(zhuǎn)子

    金屬基復(fù)合材料

    金屬基復(fù)合材料是唯一正在研制并具有固有延展率的強(qiáng)基體復(fù)合材料。在航空領(lǐng)域尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最多的主要是鈦基復(fù)合材料（Ti-MMC）和鋁基復(fù)合材料（Al-MMC）。

    1、鈦基復(fù)合材料

    Ti-MMC主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)整體葉環(huán)、空心風(fēng)扇葉片、低壓軸和作動(dòng)桿等零部件上。

    2、鋁基合金復(fù)合材料

    Al-MMC是工作溫度不超過150℃的航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)和外涵等部件最具應(yīng)用潛力的材料，可以替換鋁合金，在質(zhì)量沒有改變的同時(shí)提高了性能。

    普惠公司為F119發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)并驗(yàn)證了鈦基復(fù)合材料擴(kuò)散噴管作動(dòng)筒活塞部件，這也是F-22戰(zhàn)斗機(jī)上的第一個(gè)使用鈦基復(fù)合材料的零件。

普惠公司在PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)中，使用鋁基合金復(fù)合材料作為風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片的制造材料。

    作為風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片或壓氣機(jī)靜子葉片，鋁基合金復(fù)合材料的耐沖擊（冰雹、鳥撞等外物打傷）能力比樹脂基復(fù)合材料（石墨纖維/環(huán)氧）好，且易于發(fā)現(xiàn)損傷。此外，鋁基合金復(fù)合材料還具有七倍于樹脂基復(fù)合材料的抗沖蝕（沙子、雨水等）能力，而使用成本只有樹脂基復(fù)合材料的三分之二。

    過去，航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高有三分之一歸功于新材料的采用，今后這個(gè)比例還將升高。如今，環(huán)境與能源問題逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，復(fù)合材料作為末來材料發(fā)展的主流，必將發(fā)揮更重要的作用。

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責(zé)任編輯：王元

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