【《浅析复合材料在航空发动机方面的应用》8300字（论文）】

一、前言复合材料应用的发展历史可以追溯到远古时代。已经使用了数百年的稻草或麦草增强粘土和混凝土都是由几种材料加工和复合而成的。1940年代，由于航空发展的需要，玻璃钢（俗称玻璃钢）大行其道，在20世纪50年代以后，一系列高强度、高模量的纤维材料得到了进一步的发展，其中包括碳纤维、石墨纤维、硼纤维等。这些纤维的出现开创了一种新的材料组合方式，从而诞生了“复合材料”的名称。在70年代，芳纶纤维和碳化硅纤维等新型材料的出现，更是为复合材料的应用拓展提供了广阔的空间。复合材料是现代科学技术发展的基础。复合材料技术是现代科学技术中一个非常重要的领域，其在材料科学、航空航天、汽车制造、建筑工程等众多领域都得到广泛应用。这种材料的研究、应用和生产发展已经成为衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一。随着世界对高性能材料需求的快速增长，复合材料的应用已经得到广泛推广，特别是在亚洲，尤其是在我国市场，其增长速度更是迅猛。进入21世纪以来，复合材料的技术水平得到了长足的提高，其在汽车、航空航天、建筑、医疗等领域的应用也越来越广泛。可以预见，未来复合材料的应用前景将非常广阔，其研究和开发也将成为国家科技发展的重要方向之一。因此，我们需要更多的资金、更多的人才和更好的技术来推动复合材料技术的发展，进一步提高我国在这一领域的国际地位。在20世纪60年代，为了满足现代航空航天和尖端技术对新型复合材料的要求，人们相继开发制造了一系列具有新型高性能纤维的复合材料，这些纤维包括碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等。这些纤维具有强度大于4×10厘米（cm）和比模量大于4×10cm的特点，被用作增强材料，以满足高性能结构材料的需求。为了区别于第一代玻璃纤维增强树脂复合材料，这种新型复合材料被称为先进复合材料。根据基材不同，先进复合材料分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料，其使用温度分别达到250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先进复合材料不仅被广泛应用于结构材料领域，还可用作功能材料，如梯度复合材料、智能复合材料、仿生复合材料和隐身复合材料等。其中，纤维增强材料应用最广，其特点是比重小，比强度和比模量大。碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料在500℃时仍能保持足够的强度和模量，碳化硅纤维与钛结合，不仅提高了钛的耐热性，而且耐磨，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷结合，使用温度可达1500℃，远高于高温合金涡轮叶片表面的使用温度（1100℃）。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨构成了已用于航天器、火箭导弹和原子反应堆的抗烧蚀材料。由于密度低，非金属基复合材料被用于汽车和飞机以减轻重量、提高速度和节约能源。由碳纤维和玻璃纤维混合而成的复合材料板簧的刚度和承载能力是钢板簧的5倍以上。二、复合材料的概述2.1复合材料的简介及组成复合材料是一种通过先进的材料制备技术，将不同性能的材料组分进行优化组合而成的新型材料。其必须是人造的，由两种或两种以上具有不同化学和物理性能的材料组成，并具有结构设计性。与单一组分材料相比，复合材料不仅保持了各组分材料的性能优点，而且通过各组分性能的互补和关联，可以获得单一组分材料无法达到的综合性能。复合材料已经在许多领域取代了传统材料，并发挥了巨大的作用。它们可以分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料三种类型。按其结构特点，可分为纤维增强复合材料、夹层复合材料、细晶粒复合材料和杂化复合材料等四种类型。纤维增强复合材料是通过在基体材料中放置各种纤维增强材料而复合而成的，如纤维增强塑料、纤维增强金属等。夹层复合材料由具有不同性能的表层材料和芯层材料组成，分为实心夹层和蜂窝夹层两种。细晶粒复合材料则是在基体中均匀分布硬质细小颗粒，如弥散强化合金、金属陶瓷等。最后，杂化复合材料由两种或多种增强相材料混合在一种基体相材料中组成，与普通单增强相复合材料相比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性有明显提高，并具有特殊的热膨胀性能，分为层内杂化、层间杂化、夹层杂化、层内/层间杂化和超杂化复合材料。复合材料的广泛应用不仅为各个行业带来了很大的便利，而且在未来的科技发展中也将会发挥越来越重要的作用。。复合材料主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。结构复合材料是一种用作承重结构的材料，它由能够承受载荷的增强构件和能够将增强构件连接成整体材料并起传递力作用的基体构件组成。增强材料的种类包括各种玻璃、陶瓷、碳、聚合物、金属和天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等，而基体则包括聚合物（树脂）、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。因此，种类繁多的结构复合材料可以由不同的增强体和不同的基体组成，并以所用的基体命名，例如聚合物（树脂）基复合材料。结构复合材料最大的优点是可以根据使用材料的要求进行构件选材设计，并且复合结构设计，即配筋布置设计，能够合理满足需要并节省材料。而功能复合材料则是一种提供机械性能以外的物理性能的复合材料。它一般由功能体组分和基体组分组成，其中基质不仅起到形成整体的作用，而且可以产生协同或增强作用。功能复合材料可以突出某种特定功能，例如导电、超导、半导体、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、摩擦、屏蔽、阻燃、热防护、吸音、隔热等，统称为功能复合材料。功能体可以由一种或多种功能材料组成，多功能体的复合材料可以具有多种功能，并且有可能因为复合效应而产生新的功能。因此，多功能复合材料是功能复合材料的发展方向。复合材料也可分为常用和先进两类。复合材料是指由两种或两种以上的材料组成的新型材料，通常表现出比单一材料更好的性能和特性。其中，FRP是一种常见的复合材料，由玻璃纤维等低性能增强材料和普通聚合物（树脂）组成，价格低廉，广泛应用于船舶、车辆、化工管道和储罐、建筑结构、体育用品等。相比之下，先进复合材料是指采用高性能增强材料制成的复合材料，如碳纤维、芳纶纤维等，这些材料表现出优异的性能和特性，属于高性能耐热聚合物，价格相对较高，主要用于国防工业、航空航天、精密机械、深潜器、机器人结构件和高端体育用品等领域。同时，先进复合材料也包括金属基、陶瓷基、碳（石墨）-基和功能复合材料等。功能复合材料不仅具备机械性能，还能提供各种物理性能，如导电、超导、半导体、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、摩擦、屏蔽、阻燃、热防护、吸音、隔热等，成为多功能复合材料的发展方向。2.2复合材料的特性复合材料是一种结构轻、性能优良的材料，其比强度和比刚度都相当高。比强度指的是材料密度除以强度的比值，而比刚度则是指材料刚度除以密度的比值。这两个指标是衡量材料承载能力的重要参数，而较高的比强度和比刚度则表明材料具有轻重量、高强度和高刚度的特点。因此，复合材料在航空航天、汽车、建筑和体育器材等领域都有着广泛的应用。这是结构设计对复合材料结构的主要需求，尤其是在现代飞机、航天等建筑设计领域。纤维增强复合材料结构在现代飞机、导弹和卫星等机身部件中的比例逐渐增加。复合材料的力学性能是可设计的，是指选择合适的原材料和合理的铺层形式，使复合材料部件或复合材料结构满足一定的条件。例如，在某种形式的叠层中，材料在一个方向上拉伸的同时在垂直方向上拉伸的同时也会拉伸，这与常用材料的特性不同。又如利用复合材料的耦合效应，在平模上铺层，制成层压板。加热固化后，板材会自动成为所需的弧形板材或外壳。复合材料不仅具有高强度、高刚度等优点，还具有良好的抗疲劳性能和减振性能。相比于金属材料，复合材料在疲劳强度方面表现更优秀，甚至有些可以高达抗拉强度的70-80%。复合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐向纤维与基体的界面扩散，这使得材料在损坏前会有预兆，有利于检查和修复。此外，复合材料还具有良好的抗声疲劳性能，这使得它们在航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用。在减振性能方面，纤维复合材料的纤维-基体界面阻尼大，因此具有更好的减振性能。实验证明，相同形状和尺寸的横梁中，碳纤维复合材料梁的振动减弱时间比轻金属梁短得多。因此，复合材料在一些对减振性能要求较高的领域也得到广泛应用。复合材料往往能够承受高温。在高温下，用碳或硼纤维增强的金属材料的强度和刚度远高于原始金属。一般来说，普通铝合金在400℃时，弹性模量和强度大大降低；而在相同的工作温度下，碳纤维或硼纤维增强铝合金的强度和弹性模量基本保持稳定。复合材料的导热系数一般较小，因此其耐瞬时超高温性能特别好。复合材料是一种安全可靠的材料。纤维增强复合材料的基体中包含数以万计的单根纤维，当这种材料制成的构件在超载时发生少量纤维断裂时，载荷会很快重新分配并转移到未受损的纤维上，因此整个构件不会在短时间内失去承载能力。此外，复合材料的成型工艺相对简单。纤维增强复合材料一般适用于整体成型，这样可以减少零件数量，从而减轻设计计算的工作量，提高计算的准确性。制造纤维增强复合材料部件的步骤是将纤维与基体粘合在一起，然后使用模具进行定型，并进行加热固化。制造过程中，基体由液态变为固态，这样不易造成材料微裂纹，并且固化后的残余应力极小。因此，复合材料在许多领域中得到了广泛的应用，如航空航天、汽车、体育用品等。

三、复合材料在航空发动机上的应用3.1复合材料在喷管部件上的应用陶瓷基复合材料,就是目前人类认为在二十一世纪中能代替高温复合材料的发动机最热端构造复合材料之选择。复合陶瓷本身的耐热、小密度、高比强度、高比模、抗氧化物和抗烧蚀等优良特性,使它具备了替代金属材料形成新型高温结构材质的能力,但复合陶瓷的脆性过大和安全性较差等致命缺陷,限制了它的实用化。不同增韧方法在生产技术和增韧性能方面均具有优势,如相变增韧能够大幅度的增强复合陶瓷的常温弹性和硬度,却由于在高温下物相的增韧机制失灵而影响到其在高温上的广泛应用。而连续玻璃纤维强化陶瓷基复合材料(CFRCMC,ContinuousFiberReinforcedCeramicMatrixComposites,简称CMCs)则填补了传统复合陶瓷的缺陷。CMCs制造工艺技术较为简便,可合理地进一步提高陶瓷成型材质的抗弯强度和破裂柔韧,将连续纤维增强物加入到基础材质中,由于二者弹性模量和热膨胀系数值的不同而在界面生成附加应力区,这些附加应力区与外部拉伸应力进行作用,使延伸裂缝生成钉扎、偏转、分叉或以另外形态(如相变)吸取能力,进而进一步提高材质的断裂柔韧。CMC是一种由陶瓷纤维和陶瓷基体组成的复合材料，具有密度低、硬度高、高温热稳定性优异、耐化学性好等优点。相较于高温合金，CMC的密度仅为其三分之一，但强度却是其两倍。CMC能够承受1000℃至1500℃（比高温合金高200℃至240℃）的长期高温服役，并具有更好的结构耐久性。此外，CMC固有的断裂韧性和高损伤容限特性适用于燃气涡轮发动机的热端部件，可以在更高的涡轮进口工作温度和更少的冷却空气（超过1300°C）下运行，并显著降低发动机效率和燃料消耗率。例如，在美国航空航天局（NASA）的“超高效发动机技术”（UEET）项目下，研制出了CMC发动机热端结构，可承受1649℃的涡轮进口温度，且冷却需求比同类高温合金部件低15%~25%。因此，欧美发动机制造商非常重视CMC技术的开发。图1现F414发动机尾喷管CMCs封严片陶瓷基复合材料是一种先进材料，具有广泛的应用前景。它们可以在高科技领域、航空航天、国防和各个经济领域中发挥重要作用。作为先进材料领域的研究前沿之一，陶瓷基复合材料也是我国高技术计划的重点研究领域之一。相比于有机材料基体和金属材料基复合材料，陶瓷基复合材料具有更高的硬度、更低的密度、更好的高温稳定性和更好的耐化学性等性能，可以应用于这些材料不能满足性能要求的工况。因此，陶瓷基复合材料成为一种理想的高温结构材料，有着广泛的应用前景。世界主要发达国家都在积极开展陶瓷基复合材料的研究，不断拓展其应用领域。目前在产的F414航空发动机排气喷管的二次密封片采用陶瓷基复合材料（CMC）制成。根据通用电气的设计原理，F414采用了两种陶瓷基复合材料来制造二次密封片，一是碳化硅/碳（SiCf/C），即碳化硅纤维增强碳基；然后是氧化物/氧化物（Ox/Ox），一种主要使用氧化铝（或莫来石）纤维增强氧化铝陶瓷基体的体系。2011年生产的F414开始安装氧化物CMC材料制造密封片（如图1）。

3.2复合材料在燃烧部件上的运用常见的SiC陶瓷基复合材料有碳纤维增强碳化硅（Cf/SiC）陶瓷基复合材料和碳化硅纤维增强碳化硅（SiCf/SiC）陶瓷基复合材料。碳纤维增强碳化硅（（Cf/SiC）复合材料是重要的材料体系之一。大量文献表明，Cf/SiC复合材料具有耐高温和高热震性、高耐磨性和高硬度，碳化硅纤维增强碳化硅体系具有较高的比强度和比刚度，良好的高温力学性能和抗氧化性能，以及优异的耐辐射和耐腐蚀性能。航空航天和核聚变领域都具有广阔的应用前景，碳纤维在高温环境下容易发生氧化，导致性能下降，甚至失效；损坏。因此，SiCf/SiC复合材料一般用于重复使用的部件长时间处于高温环境。镍基高温合金中的镍和稀有金属很重，比重达到8到9，耐温极限只能达到1150℃或更低。相反，SiCf/SiC复合材料具有约3的低密度，并且材料本身的耐温极限达到1300℃以上。所以用SiCf/SiC复合材料代替高温合金具有降低燃料消耗和减轻重量的作用。SiC/SiC复合材料由于具有密度低、强度高、抗冲击、抗氧化等优点，被用作高性能发动机的热端部件材料。在2005年结束的IHPTET计划中，GE、Allison、Foster-Miller等公司开发并验证了大量陶瓷基复合材料涡轮发动机高温部件，如定子叶片、后架前缘嵌件、燃烧室等火焰管等（图2）。其中，静叶片在UEET计划的支持下进行了台架试验，结果表明SiC/SiC复合材料叶片比高温合金叶片更具优势。最近的NGLT项目研究了SiC/SiC复合材料作为航天器发动机高温部件的材料。除了航空航天中的高热部件外，复合材料还可以用作卫星天线和反射器等的支撑结构。图2静子叶片、后框架前缘插件和燃烧室火焰筒

3.3复合材料在涡轮部件上的应用芳纶纤维是一种由芳香族基团和酰胺基团缩聚而成的有机纤维，因其分子链的刚性和硬度增强而得名。相比于传统的有机纤维，芳纶纤维具有更高的耐热性、初始模量和拉伸强度，以及更好的韧性性能。此外，它还具有低密度和优异的抗压性能，使其成为许多高性能纤维材料中的重要组成部分。因此，芳纶纤维被广泛应用于航空航天、防弹材料、船舶、汽车、电子产品等领域，展现出广阔的应用前景。在20世纪70年代起，芳纶纤维开始被广泛应用于航空领域的结构材料中。特别是在民航涡扇发动机中，芳纶纤维被用于要求高韧性和良好吸能性能的风扇机壳挡圈。现今，欧美现役民用航空发动机的包容环结构基本相似，即在金属机壳的内侧或外侧均采用芳纶纤维增强复合材料作为包容层。举个例子，GE90发动机的外壳圆度由铝合金外壳保证，然后在外侧缠绕65层芳纶纤维编织带，并覆盖环氧树脂制成复合密封环。这种高强韧芳纶纤维增强环氧树脂复合材料，提高了叶片断片的抗冲击能力，而且相比金属挡圈，风扇机盒的质量也轻了近50%。芳纶纤维包裹层是密封环的核心，当扇叶碎片抛出并撞击该层时，由于芳纶纤维的高抗拉性能，包裹层会向外鼓起，但不易折断，吸收碎片的冲击能量，从而遏制碎片。因此，芳纶纤维包容层不仅包容能力强，而且重量轻，因而得到广泛应用。目前，RR的BR710、RB211-535E4、RB211-524G/H、Trent700、Trent800发动机、PW的PW4084发动机和GE的CF34、CF-80C2、GE90、GP7200发动机等均采用这种设计方法。（图3）复合材料消声板芳纶纤维的优良特性不仅在航空领域得到广泛应用，还包括汽车、船舶、体育器材等众多领域。芳纶纤维的高强度、高刚度、低密度和优异的耐热性能使其成为理想的汽车结构材料，如使用芳纶纤维增强复合材料制成的汽车轮毂，可以有效减轻车辆质量，提高车辆燃油经济性。在船舶领域，芳纶纤维的优异性能也得到了广泛应用，如用于制造船舶罩板、齿轮、轴承等。此外，在体育器材领域，芳纶纤维也被用于制造高端滑雪板、高尔夫球杆等。总之，芳纶纤维以其优良的物理性能和化学稳定性，成为了一种广泛应用的高性能材料。其在航空领域的成功应用，为其他领域的应用提供了可借鉴的经验，也为其未来的发展提供了广阔的空间。芳纶纤维增强复合材料广泛应用于CFM56系列、GE90等发动机上，制造具有降噪降噪功能的复合材料降噪板。（图3）

四、国内外复合材料的研究与发展趋势复合材料是现代航空制造中的一次革命性变革，大量应用于航空结构件中。使用复合材料可以使得飞机重量更轻、强度更高、抗疲劳和抗腐蚀性能更好。特别是高强度碳纤维的工业化生产，更是使现代航空成本更加便宜。此外，现代尖端技术的应用，如计算机、激光、C扫描等，可以更可靠地保证复合材料制成的飞机结构件的质量，保障飞机的安全。据波音和空客公布的研究数据，到2020年他们的飞机将全面采用复合材料，这进一步展示了复合材料在航空制造中的重要地位。但我国目前仅具备金属飞机的设计条件，复合材料在航空附件中的应用也仅是小部分，在主体结构中的应用还有待进一步研究。就好比空客、波音都可以用钢筋混凝土盖房子，而中国只有一套用“秦砖汉瓦”盖房子的方法，现在中国也已刚刚开始学着用钢筋混凝土混凝土了。最要命的是,作为航空的基础材料中国现在还需要进口,特别是像T800这种广泛应用的航空材料中国目前还没有制造能力。中国正在开展超大型客机的研发,但是遇到的科技问题也是很多的。在日趋激烈的中国航空市场上,由于缺乏科技领先、富有竞争性的机型,就算制造起来成功了,也无法占领市场。在波音、空客用复合材料客机取代传统金属客机的背景下，中国要想发展大飞机，就必须迎头赶上，创造新机型与之抗衡。这需要很多科研人员付出很大的努力。更多的努力。目前，国内外航空科学家已经意识到这个问题，一些科学家甚至提前开始了飞机的预研工作。据中航工业第一集团公司科学技术委员会副主任冯培德介绍，目前我国在航空预研方面的投资总额已经超过1亿元，其中就包括复合材料。“冰冻三尺非一日之寒”这句话形象地描述了中国民机技术的滞后。与欧美国家相比，中国在民机技术方面存在多方面的问题。其中，主要原因包括三点：一是民航机型研制频率过低，缺乏大量数据的积累，这使得我国的民机技术发展缓慢；二是由于民机生产没有相关的研究所，没有形成研发机制，导致民机技术一直无法迎头赶上；三是航空企业尚未