碳纤维复合材料在航空发动机上的应用

  对于航空领域,特别是发动机的结构设计制造而言,高性能系统所需的轻质和耐高温等特性越来越重要。航空发动机产业是指涡扇/涡喷发动机、涡轴/涡桨发动机和传统传动系统以及航空活塞发动机的集研发、生产、维修保障服务于一体化产业集群。

  新的材料和工艺不断研发以应对新一代航空发动机的发展趋势,尤其是碳纤维复合材料的应用,GE-AEBG公司、惠普公司在制造飞机发动机零部件时都采用了碳纤维复合材料,主要包括风扇出风道导流片、风扇罩、推力反向器等部位。碳纤维复合材料在航空发动机上的应用具体表现在以下两个方面:

  1.陶瓷基复合材料的应用

  碳纤维陶瓷基复合材料是将碳化硅陶瓷纤维与碳化硅基底材料复合后,再涂覆一层专用涂层提升其性能,密度仅为金属材料的三分之一。由于陶瓷基复合材料具有的耐高温属性,因此在发动机流道中使用空气代替,在发动机高温区只需要较少甚至不需要冷却气体,涡轮扇发动机大幅减重,意味着发动机运转效率更高,提高了发动机的性能、耐久性、燃油经济性和高推重比。F-35战斗机使用的F135发动机是有史以来战斗机上安装过的推力最大的喷气式发动机,F135使用了陶瓷基复合材料(CMC),主要用在F135-PW-600喷管的外侧部分。

  以GE航空集团为例,碳纤维陶瓷基复合材料在GE航空集团的技术路线图上是一条关键路径。通用电气航空集团将于2016年新建两个复合材料制造厂,用于碳化硅和陶瓷基复合材料的批量制造,这两种复合材料都是制造喷气式发动机零部件的必备材料。GE公司是所有厂商中第一个决定使用CMC制造旋转叶片的,通过把陶瓷基复合材料叶片安装在发动机上试车,它们已经证明了旋转CMC叶片的性能,这是一个重要的里程碑。

  2.树脂基复合材料的应用

  碳纤维树脂基复合材料具有降噪能力强、耐腐蚀性强、耐疲劳能力好、比模量高、强度高等众多优点。通过将碳纤维树脂基复合材料应用在航空发动机的冷端结构、反推力装置以及发动机短舱等结构上,不仅能够降低发动机的重量,还能够提高发动机的耐腐蚀性、抗疲劳性以及强度等。例如,JTAGG验证机的进气机匣利用PMR15树脂基复合材料,该种碳纤维复合材料的应用比传统铝合金进气机匣的重量降低25%。