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航空发动机复合材料的应用与研究

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龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 航空发动机复合材料的应用与研究 作者:朱丽 罗艳春 陈宇 王鑫 来源:《中国科技博览》2014 年第 16 期 [摘要]:由于航空工业的迅猛发展,航空发动机复合材料应运而生,本文简单介绍了航空 发动机复合材料的发展状况,以及主要的发展趋势,分析了发动机材料的各自独特的特性,并 突显了复合材料在航空发动机发展中重要地位,为未来航空发动机的相关研究和研发奠定基 础,使航空发动机相关制造工艺上再上一个新台阶。 [关键词]:发动机 C/C CMC 陶瓷基复合材料 中图分类号:V250.1 文献标识码:A 文章编号 1. 引言 科学技术迅速发展,特别是尖端科学技术的突飞猛进,对材料性能提出了越来越高、越来 越严和越来越多的要求,传统的单一材料已不能满足实际需要。这些都促进了人们对材料的研 究逐步摆脱过去单纯靠经验的探索方法,而向着按预定材料的研究方向发展。此时,复合材料 就应运而生。 2. 发动机复合材料 飞机、发动机结构材料家族中,复合材料是新成员。它是现代科学技术不断进步的结果, 也是材料设计方面的一个突破。它综合了各种材料如纤维、树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优 点,按需要设计、复合成为综合性能优异的新型材料,复合材料已成为 21 世纪航空结构的支 柱性材料。 2.1 碳/碳复合材料 1958 年美国 Chance-Vought 航空公司科研人员在测定碳纤维增强酚醛树脂基复合材料中的 碳纤维含量时,由于实验过程中的操作失误,聚合物基体没有被氧化,反而被热解,意外地得 到了 C/C 复合材料,从而诞生了 C/C 复合材料。 80 年代初,美国就开始研制碳/碳涡轮盘和涡轮叶片,以后又先后进行了 F100 飞机发动机 的燃烧室和喷管试验,JTD 试验机低压整体涡轮盘及叶片试验(运行温度为 1649 ,比高温合 金涡轮盘高出 555 ),还进行了 1760 地面超速试验。德国、俄罗斯和日本已相继成功研制涡 轮外环和整体涡轮。此外,90 年代初期,美国已在实施将碳/碳用于超高飞行器的飞机结构材 料的计划,以实现飞行器全碳/碳株结构的设计和制造。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 面对当今航空发动机对材料的要求的不断提高,C/C 复合材料的发展方向为:(1)发展 C/C 的低成本快速致密化工艺。C/C 复合材料的生产周期过长和致密化不均匀是影响其成本的 主要因素,应该重视发展高效、高性能的致密化工艺;(2)加强涂层 C/C 在发动机工作环境 下的试验考核研究。 2.2 树脂基复合材料 树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料,通常用玻璃纤维、碳纤维或芳 纶纤维增强体,经过特殊工艺加工而成的一种先进的复合材料。随着材料技术不断发展,各种 先进树脂基复合材料在航空工业用量持续增加。它具有重量轻、强度高、耐介质、耐高温性能 好、耐冲击性能强等一系列突出的特点,在日益发展的航空工业上广泛应用。 为适应新一代飞机对高性能材料的需要,各发达国家对先进树脂基复合材料的研究和开发 都投入了大量的人力和物力,*几年来,在材料性能提高、工艺改进、成本降低等方面取得了 重大的突破和发展。 *年来先进树脂基复合材料的发展主要围绕提高工作温度、改善湿/热性能、增大断裂韧 性、降低制造成本等几个关键技术进行,航空发动机复合材料用高温树脂以聚酰亚胺(PI)为 基础。其现状及发展趋势主要是:(1)提高耐热性,(2)提高冲击韧性,(3)低成本复合 材料制造技术。 2.3 陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料在航空工业领域是一种非常有发展前途的新型结构材料。特别是在航空发 动机制造应用中,越来越显示出它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻、硬度高的优 点以外,还具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性能。目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超 过了金属耐热材料,并具在很好的力学性能和化学稳定性,是高性能涡轮发动机高温区理想的 极好材料。 20 世纪初期,主要的陶瓷基复合材料产品是以 或 纤维增强的 和 基复合材料,用于制造 静止零件,如加力筒体、燃烧室瓦片、喷嘴、火焰稳定器等以代替高温合金。 陶瓷基复合材料(CMC)的密度仅为高温合金的 1/3~1/4,最高使用温度为 1650 。其“耐 高温和低密度”特性是金属和金属间化合物无法比拟的,因此美、英、法、日等发达国家一直 把 CMC 列为新一代航空发动机材料的发展重点,并投入巨资进行研究。 目前世界各国针对下一代先进发动机对材料的要求,正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷 材料。并取得了较大进展,有的已开始应用在现代航空发动机中。例如美国验证机的 F120 型 发动机,它的高压涡轮密封装置,燃烧室的部分高温零件,均采用了陶瓷材料。法国的 M88-2 型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 3. 结束语 本文通过对复合材料发展的介绍,并列举出碳/碳复合材料、树脂基复合材料和陶瓷复合 材料的应用情况,以及技术工艺等情况,在航空发动机的发展道路上展现了复合材料的光芒。 对今后航空发动机新型复合材料的研制、改进有一定的意义。 参考文献 [1] 兰天.俄第六代航空发动机新材料和新工艺[M].上海:科技大世界学出版社,2000. [2] 刘伯操.航空材料选用目录[M].北京:中国航空工业公司出版社,1995. [3] IRWIN STAMBLER.Europe has own technology base to compete with ATS program in us[J].Gas Turbine Wrold,1995,25(6):26-29. The research and application of aeroengine composite materials Zhu Li Luo Yanchun Chen Yu Wang Xin (Air Force



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