航空发动机上典型复合材料的应用

复合化是新材料的重要发展方向，也是新材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一。航空发动机使用最广泛的先进复合材料有：树脂基复合材料、陶瓷基复合材料和金属基复合材料，它们替代了传统材料，拥有显著的减重效果。

　　C/C基复合材料是近年来最受重视的一种更耐高温的新材料。到目前为止，只有C/C复合材料是被认为唯一可做为推重比20以上，发动机进口温度可达1930-2227℃涡轮转子叶片的后继材料，是美国21世纪重点发展的耐高温材料，世界先进工业国家竭力追求的最高目标。
　　C/C基复合材料，即碳纤维增强碳基本复合材料，它把碳的难熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体，使其呈现出非脆性破坏。由于它具有重量轻、高强度，优越的热稳定性和极好的热传导性，是当今最理想的耐高温材料，特别是在 1000-1300℃的高温环境下，它的强度不仅没有下降，反而有所提高。在1650℃以下时依然还保持着室温环境下的强度和风度。因此C/C基复合材料在宇航制造业中具有很大的发展前途。

　　例如美国的F119发动机上的加力燃烧室的尾喷管，F100发动机的喷嘴及燃烧室喷管，F120验证机燃烧室的部分零件已采用C/C基复合材料制造。法国的M88-2发动机，幻影2000型发动机的加力燃烧室喷油杆、隔热屏、喷管等也都采用了C/C基复合材料。

树脂基复合材料

　　树脂基复合材料具有高比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、便于大面积整体成型以及具有特殊电磁性能等特点。国外的树脂基复合材料减重效率在25%以上。树脂基复合材料主要应用在航空发动机的外涵机匣、进气机匣、风扇静子叶片、压气机静子叶片、风扇转子叶片、包容机匣和升力风扇驱动轴上。

GE90系列发动机采用树脂基复合材料制成的风扇转子叶片

陶瓷基复合材料

　　陶瓷基复合材料具有类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、没有灾难性损毁，是军用和民用发动机不可或缺的高温材料。其中应用最广泛的是氮化硅基复合材料。

　　与高温合金和单相陶瓷相比，陶瓷基复合材料的优势有：密度低，仅为高温合金的1/4～1/3；具有很好的耐高温能力，只需较少气体冷却或根本不需要冷却；具有较高的氧化稳定性，使用该材料的高温部件可以不使用昂贵且沉重的隔热涂层或氧化保护涂层。陶瓷基复合材料主要应用于发动机的燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和喷管等部件上。

斯奈克玛公司将自愈合陶瓷基复合材料应用于研制燃烧室火焰筒和火焰稳定器。

　　从2015年起，GE公司开始在GEnx验证机上开展包含燃烧室火焰筒内外环、第一级高压涡轮罩环、第二级涡轮导向器、涡轮转子叶片的陶瓷基复合材料部件试验，来验证整套热端部件的功能性和耐久性。GE9X发动机的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片能够实现叶片减重2/3，耐温提高20%，对耗油率改善的贡献率达30%；而使用陶瓷基复合材料的燃烧室火焰筒能以更少的冷却空气量应对更高的温度，改善发动机热效率。

GE公司采用陶瓷基复合材料叶片的涡轮转子

金属基复合材料

　　金属基复合材料是唯一正在研制并具有固有延展率的强基体复合材料。在航空领域尤其是航空发动机上应用最多的主要是钛基复合材料（Ti-MMC）和铝基复合材料（Al-MMC）。

钛基复合材料

　　Ti-MMC主要应用于航空发动机的压气机整体叶环、空心风扇叶片、低压轴和作动杆等零部件上。

铝基合金复合材料

　　Al-MMC是工作温度不超过150℃的航空发动机低压压气机和外涵等部件最具应用潜力的材料，可以替换铝合金，在质量没有改变的同时提高了性能。

　　普惠公司为F119发动机开发并验证了钛基复合材料扩散喷管作动筒活塞部件，这也是F-22战斗机上的第一个使用钛基复合材料的零件。

普惠公司在PW4000发动机中，使用铝基合金复合材料作为风扇出口导流叶片的制造材料。

作为风扇出口导流叶片或压气机静子叶片，铝基合金复合材料的耐冲击（冰雹、鸟撞等外物打伤）能力比树脂基复合材料（石墨纤维/环氧）好，且易于发现损伤。此外，铝基合金复合材料还具有七倍于树脂基复合材料的抗冲蚀（沙子、雨水等）能力，而使用成本只有树脂基复合材料的三分之二。

过去，航空发动机性能的提高有三分之一归功于新材料的采用，今后这个比例还将升高。如今，环境与能源问题逐渐成为人们关注的焦点，复合材料作为末来材料发展的主流，必将发挥更重要的作用。

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SAMPE 中国2019年会参展商列表

参展商详细列表——持续更新 >>

• 展位预定火热进行中丨第十四届先进复合材料制品、原材料、工装及工程应用展览会参展商预览

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• 中国钢研-复合材料热等静压浸渍专用设备制造商

• 山东金宇恒利——高温烘箱、喷漆、烤漆、净化车间、机器人冷热喷涂、除尘打磨、涂装生产线、废气处理等设备

• 上海恩迪检测——专业无损检测设备、理化设备制造商

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• 德州联合拓普复合材料科技有限公司——专注碳纤维预浸料生产12年

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国际学术会议分会场列表——持续更新 >>

• 征文通知——SAMPE 中国2019年会国际学术会议

• 征文丨土木工程与基础设施纤维复合材料

• 征文丨智能复合材料

• 征文丨石墨烯及其在复合材料中的应用分会场

• 征文丨复合材料在通航飞机领域的应用分会场

• 征文丨结构健康监测技术与应用

SAMPE中国2019年会同期活动

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　　SAMPE中国2019年会将于5月6-8日在北京·中国国际展览中心（老馆）举办。我们热情邀请同行业企事业单位参展，共同打造中国高性能复合材料行业技术交流与产业合作的平台，服务于更高、更强的中国尖端科技制造业！