連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

沈爾明，王志宏，滕佰秋，李曉欣

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)具有推力大、油耗低、噪聲小和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為大型民用客運(yùn)和貨運(yùn)飛機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著空客A380、波音787等大型飛機(jī)的啟用，作為決定大型民用飛機(jī)研制成功與否的關(guān)鍵因素，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)越來越受到世界航空強(qiáng)國(guó)的重視。

本文詳細(xì)介紹并分析了國(guó)外連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用，概述了碳纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維和玻璃纖維等連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，指出了國(guó)內(nèi)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料選材的發(fā)展方向。

1 國(guó)外連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用

連續(xù)纖維作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，決定著復(fù)合材料在各種環(huán)境中的主要力學(xué)性能（沿纖維方向的性能），還影響著材料的體積、性能和其可設(shè)計(jì)性，因此成為復(fù)合材料的研發(fā)核心。連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料憑借其質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高和技術(shù)較成熟等優(yōu)點(diǎn)，在一直以減質(zhì)為需求的民用航空領(lǐng)域備受重視，廣泛應(yīng)用于民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的帽罩前錐、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子靜子和出口導(dǎo)流葉片及其機(jī)匣和包容環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和反推裝置、消聲結(jié)構(gòu)和高低壓渦輪葉片等部件上，如圖1所示。連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在GE、RR、PW、IAE和CFMI等歐美主要發(fā)動(dòng)機(jī)公司的應(yīng)用情況見表1，可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高推質(zhì)比、低耗油率和低維修成本的需要。

與傳統(tǒng)金屬材料相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有密度低、比拉伸強(qiáng)度和比拉伸模量高等優(yōu)點(diǎn)（見表2），在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫和高溫部件上應(yīng)用都具有一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，如圖2所示。民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料按增強(qiáng)體材料不同分為碳纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。

圖1 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在國(guó)外民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用部位

表1 歐美航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司用連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件

1.1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

碳纖維主要是由PAN（聚丙烯腈）碳化制造的纖維狀碳素材料[6]，具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、低電阻、高熱導(dǎo)、低熱膨脹和耐化學(xué)輻射等特點(diǎn)，廣泛用于航空結(jié)構(gòu)件上。早期碳纖維的缺點(diǎn)是脆性大、抗沖擊性和高溫抗氧化性較差。為了同時(shí)滿足高強(qiáng)度和輕質(zhì)量的要求，需研制以IM7、T800纖維等為代表的中等模量、高拉伸強(qiáng)度的碳纖維。

表2 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與金屬材料性能比較[1-4]

圖2 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的使用溫度與比拉伸強(qiáng)度[12]

表3 典型碳纖維性能比較[7]

用于波音777飛機(jī)的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇是世界上尺寸最大的風(fēng)扇之一，其直徑達(dá)到3.12 m，轉(zhuǎn)子由22片無凸臺(tái)全復(fù)合材料葉片組成，葉片長(zhǎng)1.22 m，葉尖弦長(zhǎng)0.533 m，榫頭寬0.305 m，起飛時(shí)進(jìn)入風(fēng)扇的空氣流量為1313 kg/s。大尺寸風(fēng)扇葉片在設(shè)計(jì)時(shí)如果采用鈦合金制造成空心結(jié)構(gòu)，風(fēng)扇整體質(zhì)量很大，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)巨大的離心力會(huì)導(dǎo)致輪盤無法承受而破壞，榫頭強(qiáng)度也是難以解決的問題。為此，GE公司采用IM7碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料帶從葉根到葉尖采用鋪層逐漸減薄的方式制成風(fēng)扇葉片解決了上述問題，并通過了鳥撞取證試驗(yàn)。GE90發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片采用了復(fù)合材料后，發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性也大大加強(qiáng)，如圖3所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)，GE90發(fā)動(dòng)機(jī)在投入使用的9年中，曾遭遇過85次鳥撞擊，但都沒有對(duì)風(fēng)扇葉片造成明顯損傷；在GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)600萬飛行小時(shí)內(nèi)，只有3次因鳥撞或外物打傷而更換3片復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。經(jīng)過長(zhǎng)期使用后，GE公司認(rèn)為復(fù)合材料風(fēng)扇葉片在使用中可以免維護(hù)，而且在抗顫振等方面優(yōu)于金屬葉片，更利于實(shí)現(xiàn)大涵道比，進(jìn)而達(dá)到降低油耗和提高效率的目的[8-9]。

圖3 GE公司的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片

用于波音787客機(jī)的GEnx-1B發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的33%，為滿足減質(zhì)的需要，風(fēng)扇葉片采用與GE90發(fā)動(dòng)機(jī)同樣的復(fù)合材料外,其風(fēng)扇機(jī)匣也采用了纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，這是將復(fù)合材料首次用于民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣上。GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣采用7.62mm厚的3維織物以±60°方式編織，并在邊角及彎曲處與2維織物混編在一起。編織采用自動(dòng)化工藝，織物繞1個(gè)風(fēng)扇機(jī)匣形狀的模具編織成平面狀，如圖4所示。在中部編織厚層作為風(fēng)扇葉片的包容層。織物一經(jīng)織成，便從機(jī)匣外引入樹脂固化成型。其中GEnx-1B70發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇尺寸為2.82m，可減質(zhì)160 kg。GE公司試驗(yàn)表明復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣抗外物打傷能力優(yōu)于鋁機(jī)匣的，而且全復(fù)合材料的包容環(huán)還是1種具有回彈力、高韌性的結(jié)構(gòu)，同時(shí)單一材料的應(yīng)用還可減少電偶腐蝕的發(fā)生，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性[9-14]。

圖4 GEnx-1B發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣

V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的短艙進(jìn)氣道采用帶有共固化加強(qiáng)肋的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂外蒙皮和碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，風(fēng)扇整流艙門采用整體碳纖維復(fù)合材料包覆經(jīng)防腐蝕處理的鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，反推裝置格柵采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料模壓成型制造，反推移動(dòng)罩上采用碳纖維護(hù)板。PW4168和Trent700發(fā)動(dòng)機(jī)也采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制造反推力裝置，此外，GE90發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)短艙也采用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料短艙制造技術(shù)[23-24]。

PW公司采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造的風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片。風(fēng)扇機(jī)匣上的44片導(dǎo)流葉片采用4片1組成型，再由空心的內(nèi)外環(huán)將11組葉片連成一體，形成靜子組件。PW 4084和PW4168發(fā)動(dòng)機(jī)采用這一方式制造的風(fēng)扇靜子組件，較鈦合金的質(zhì)量減輕了39%，成本降低了38%[15]。

1.2 芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

芳綸纖維是芳香族有機(jī)纖維的總稱，其由芳香族基團(tuán)代替脂肪族基團(tuán)連接酰胺基經(jīng)縮聚而成。由于芳香基代替脂肪基，分子鏈的柔性減小而剛性增強(qiáng)，反映在纖維性能方面，其耐熱性和初始模量都顯著增大。芳綸纖維具有低密度、高拉伸強(qiáng)度和拉伸剛度、低壓縮性能（非線性）和優(yōu)良的韌性特性。

從20世紀(jì)70年代開始，芳綸纖維就成為航空領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)材料，在民用航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上大量用于需要高韌性和能量吸收性能好的風(fēng)扇機(jī)匣的包容環(huán)[6-9]。歐美國(guó)家現(xiàn)役的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的包容環(huán)結(jié)構(gòu)基本相似，即在金屬機(jī)匣殼體的內(nèi)側(cè)或外側(cè)用芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為包容層。以GE90發(fā)動(dòng)機(jī)為例，先在薄鋁合金殼體外表面銑出格柵，再在外側(cè)纏繞65層芳綸纖維織成的編織帶，并覆以環(huán)氧樹脂制成復(fù)合材料包容環(huán)。由鋁合金殼體保證機(jī)匣的圓度，利用強(qiáng)度高、韌性好的芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料提高對(duì)葉片斷片的抗沖擊能力，在具有良好包容能力的同時(shí)，大大減輕了風(fēng)扇機(jī)匣的質(zhì)量，其質(zhì)量比金屬包容環(huán)減輕近50%[16-17]。芳綸纖維纏裹層是包容環(huán)的核心，當(dāng)風(fēng)扇葉片的斷片甩出并打到該層時(shí)，由于芳綸纖維具有高的抗拉伸性能，纏裹層會(huì)因受到拉伸向外鼓出，但不易拉斷，吸收斷片的撞擊能量，從而將斷片包容住。這種結(jié)構(gòu)不僅包容能力強(qiáng)，而且質(zhì)量輕，因而得到廣泛應(yīng)用。RR公司的BR710、RB211-535E4、RB211-524G/H、Trent700、Trent800發(fā)動(dòng)機(jī)，PW公司的PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)和GE公司的CF34、CF-80C2、GE90、GP7200發(fā)動(dòng)機(jī)均采用該設(shè)計(jì)方法，如圖5所示。

圖5 GE90、GP7200、CF34、BR710發(fā)動(dòng)機(jī)使用的包容環(huán)

芳綸纖維還具有抗顫振和抗聲疲勞的特點(diǎn)，在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上還用于風(fēng)扇機(jī)匣內(nèi)側(cè)的消聲結(jié)構(gòu)[2]。芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比模量高，故自振頻率也高，能夠更好地避免構(gòu)件在工作時(shí)產(chǎn)生共振。而纖維與基體界面還具有吸收振動(dòng)能量的作用，所以芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有很好的減振性能。在CFM56系列和GE90等發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛使用芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造具有消聲降噪功能的復(fù)合材料消聲板，如圖6所示。

圖6 復(fù)合材料消聲板

1.3 碳化硅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

碳化硅纖維是1種陶瓷纖維，能在980℃以上的高溫下保持良好的強(qiáng)度。其拉伸強(qiáng)度可達(dá)2.7 GPa,模量可達(dá)192 GPa，模量比碳纖維的低，但高于玻璃纖維的。碳化硅纖維具有以下特點(diǎn)：（1）耐熱性能好，耐熱溫度可達(dá)1200℃；（2）耐腐蝕/化學(xué)穩(wěn)定性好；（3）對(duì)熱塑性基體的相容性好；（4）對(duì)金屬基體的浸潤(rùn)性好；（5）具有優(yōu)異的浸潤(rùn)性和抗氧化性，可作為聚合物、陶瓷、金屬（鋁、鈦、鎂等）甚至碳的增強(qiáng)材料[2]。

GE公司在經(jīng)過25年對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的研制開發(fā)，并在軍機(jī)的靜子零件和旋轉(zhuǎn)部件上開展了大量的驗(yàn)證試驗(yàn)后，決定在新一代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)Leap-x的高壓渦輪導(dǎo)向器上使用碳化硅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。由于碳化硅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料比高溫合金更耐熱，可以取消氣膜孔冷卻系統(tǒng)，因而在減輕自身總質(zhì)量的同時(shí)，也降低冷卻氣流的使用量,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。Snecma（SAFRAN GROUP）公司在LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)上也使用了碳化硅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造的低壓渦輪工作葉片。GE公司計(jì)劃在未來的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上用碳化硅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造燃燒室和渦輪導(dǎo)向器緣板[15-18]。

運(yùn)動(dòng)不息，生命不止，世間萬物都具有運(yùn)動(dòng)的共性。身體是人生命活動(dòng)的源泉，必須保持運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，人在運(yùn)動(dòng)中釋放身體的能量，塑造生命的智慧體。體育不會(huì)給予人任何空洞的承諾，體育關(guān)心現(xiàn)實(shí)的個(gè)人，肩負(fù)著強(qiáng)健身體的使命。體育既成為身體的拯救者，也成為人之為人路途中最堅(jiān)定的陪伴者。體育促進(jìn)人生命沖動(dòng)與精神的統(tǒng)一，人的自我控制能力提升，不斷激發(fā)人的本質(zhì)力量的實(shí)現(xiàn)，將人的生命意志呈現(xiàn)出來。體育在無聲之中引導(dǎo)人的實(shí)踐活動(dòng)，又于無形之中塑造體現(xiàn)公共生活的空間。公共空間“成為人類追求生命永恒的領(lǐng)域，人類自由自覺活動(dòng)的領(lǐng)域”[14]，照亮了個(gè)人的生活，人不再像奴隸一般消極地存在，致力于塑造完整的自我。

1.4 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有成本低、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高和無機(jī)非金屬材料的特性，成為較早用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的復(fù)合材料之一，廣泛用于不承擔(dān)大載荷或工作應(yīng)力較小的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件上[2]。如因其比金屬更易于制造具有錐形結(jié)構(gòu)的帽罩前錐，因此在RB211系列、Trent800、PW4084和CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)帽罩前錐得到應(yīng)用，如圖7所示[16,29]；CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)的油氣封嚴(yán)裝置[30]（如圖8所示）、RB211發(fā)動(dòng)機(jī)接線盒和加強(qiáng)筋[31]也采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。但因其剛度較小，限制了在發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用。

與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)和模量性能是明顯缺點(diǎn)，因而玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用范圍小于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，但玻璃纖維的成本低廉是最大的優(yōu)勢(shì)。

2 國(guó)內(nèi)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)展方向展望

從20世紀(jì)60年代開始，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料逐漸成為在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料。分析其在國(guó)外民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用情況，可以指導(dǎo)國(guó)內(nèi)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)用連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料選材的發(fā)展方向，見表4。

（1）大力開展高性能高強(qiáng)增韌碳纖維和配套樹脂的研制，在風(fēng)扇葉片和風(fēng)扇機(jī)匣等低溫部件上應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

（2）在現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上采用芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為包容結(jié)構(gòu)材料。

（3）加快發(fā)展碳化硅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,該材料在不遠(yuǎn)的將來將代替高溫合金。

（4）由于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成本低、使用經(jīng)驗(yàn)豐富，可以大量用于不承擔(dān)大載荷或工作應(yīng)力較小的次要結(jié)構(gòu)零件上。

3 結(jié)束語(yǔ)

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在國(guó)外民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用部位呈現(xiàn)從靜止部件向轉(zhuǎn)動(dòng)部件、低溫部件向高溫部件、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)向復(fù)雜結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。迫切需要研制具有高性能的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，以滿足未來國(guó)內(nèi)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求。

表4 國(guó)內(nèi)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料的選用

同時(shí)，進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該針對(duì)復(fù)合材料具有的各向異性特點(diǎn),揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮材料鋪層結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

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