目前，復(fù)合材料已成為與金屬材料、高分子材料、無(wú)機(jī)非金屬材料并列的四大材料體系之一。一個(gè)國(guó)家的復(fù)合材料工業(yè)水平已經(jīng)成為衡量其科技與經(jīng)濟(jì)實(shí)力的主要標(biāo)志之一。先進(jìn)復(fù)合材料是國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的源泉。

復(fù)合材料在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

由于具有密度小、比強(qiáng)度高和耐高溫等固有特性，復(fù)合材料在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣且比例越來(lái)越大，使航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)向“非金屬發(fā)動(dòng)機(jī)”或“全復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)”方向發(fā)展。

美國(guó)針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施的IHPTET和VAATE計(jì)劃，以及歐洲實(shí)施的ACME和AMET計(jì)劃，均將復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用列為重點(diǎn)內(nèi)容予以驗(yàn)證和突破，包括:風(fēng)扇寬弦復(fù)合材料葉片、纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料機(jī)匣、350℃熱塑性復(fù)合材料中介機(jī)匣、SiC長(zhǎng)纖鈦基復(fù)合材料的葉環(huán)、葉鼓和低壓渦輪軸、陶瓷基復(fù)合材料全環(huán)燃燒室、CMC碳化硅復(fù)合材料浮壁燃燒室、CMC碳化硅復(fù)合材料渦輪導(dǎo)向器、CMC和C/C復(fù)合材料渦輪轉(zhuǎn)子等相關(guān)結(jié)構(gòu)，由此可見(jiàn)，復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的大量使用已成為必然。

NASA N+3先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中，GE公司對(duì)將于2030~2035年投入運(yùn)營(yíng)的高效安靜小型商用飛機(jī)所需的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了預(yù)研。

NASA N+3先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中，除整體碳纖維風(fēng)扇導(dǎo)向器/前機(jī)匣、復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣外，復(fù)合材料的應(yīng)用還包含:復(fù)合材料附件機(jī)匣、新一代陶瓷基復(fù)合材料燃燒室、新一代陶瓷基復(fù)合材料高壓渦輪導(dǎo)向器葉片、新一代陶瓷基復(fù)合材料高壓渦輪葉片、新一代陶瓷基復(fù)合材料有圍低壓渦輪葉片、陶瓷基復(fù)合材料高壓渦輪支撐罩環(huán)和整流罩等，以及全復(fù)合材料整體發(fā)動(dòng)機(jī)短艙。圖1-3 顯示了NASA N+3先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中先進(jìn)新材料應(yīng)用情況。

 

1樹(shù)脂基復(fù)合材料

憑借比強(qiáng)度高、比模量高、耐疲勞與耐腐蝕性好、阻噪能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，樹(shù)脂基復(fù)合材料采用耐高溫樹(shù)脂(聚疏亞胺) 制造，工作溫度可達(dá)250~350℃，用作發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件，主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵道機(jī)匣、風(fēng)扇機(jī)匣、進(jìn)氣機(jī)匣、風(fēng)扇靜子和轉(zhuǎn)子葉片、壓氣機(jī)葉片、包容機(jī)匣以及發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、反推力裝置等部件上得到廣泛應(yīng)用。如在美國(guó)F404、F101、RB211等發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料外涵道整流罩或外涵道機(jī)匣及我國(guó)某發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料外涵機(jī)匣等上都已廣泛應(yīng)用。

F119發(fā)動(dòng)機(jī)的碳纖維增強(qiáng)的聚酰亞胺基復(fù)合材料外涵機(jī)匣采用Dow-UT公司研發(fā)的先進(jìn)樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)成型法制造，外環(huán)、內(nèi)榖、葉型支板模塑成一整體，通道表面光滑且滿足尺寸要求，工作溫度為 316℃，質(zhì)量減輕15%~20%，成本降低 30%~35%。該技術(shù)可以制造形狀復(fù)雜的進(jìn)氣機(jī)匣，其所有外部氣流通道的表面粗糙度、最終尺寸精度可與經(jīng)機(jī)械加工的鈦合金進(jìn)氣機(jī)匣相媲美，并可使進(jìn)氣機(jī)匣減少零件總數(shù)和取消許多勞動(dòng)密集的裝配工序，因而可以大幅度減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量和降低成本。

惠普公司在經(jīng)濟(jì)可承受的樹(shù)脂基復(fù)合材料研究計(jì)劃(后轉(zhuǎn)至JSF研究計(jì)劃)下的推進(jìn)系統(tǒng)可承受的復(fù)合材料研究項(xiàng)目(ACP)，與 Dow-UT公司合作采用先進(jìn) RTM工藝制造風(fēng)扇進(jìn)口結(jié)構(gòu)和風(fēng)扇出口機(jī)匣。現(xiàn)在，為F119發(fā)動(dòng)機(jī)研制的復(fù)合材料風(fēng)扇進(jìn)口機(jī)匣已完成相關(guān)驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，與鈦合金的機(jī)匣相比較，費(fèi)用降低了32%，質(zhì)量減輕了44%。

通用電氣公司吸取了GE36UDF發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的研制經(jīng)驗(yàn)，采用樹(shù)脂基復(fù)合材料制造的單級(jí)大直徑(3.43m) 寬弦實(shí)心復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。GE90發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片(圖 1-4) 的葉身和葉根均采用赫克塞爾公司的 8551-7高強(qiáng)度抗損結(jié)構(gòu)用增韌改性環(huán)脂作為基體材料，用 IM7 高強(qiáng)度、大伸長(zhǎng)、中模量碳纖維作為增強(qiáng)體，制造成被稱為“大力神”的IM7/8551-7 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料預(yù)浸料。再由400 層預(yù)浸料帶從葉根到葉尖采用鋪層逐漸減薄的鋪層方式制成風(fēng)扇葉片。為了提高葉片抗大鳥(niǎo)撞擊的能力，將鈦合金薄片用3MRAF191膠黏在葉片前緣上，在葉尖與后緣處用凱芙拉細(xì)線進(jìn)行縫合，這種結(jié)構(gòu)不僅可以分散外物撞擊能量，還可以防止復(fù)合材料在葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生脫層。

 

復(fù)合材料的使用，大大減輕了風(fēng)扇組件的質(zhì)量。該風(fēng)扇采用低葉尖速度、彈性變形吸收沖擊能量并重新分布、葉根在槽中偏擺減緩沖擊和局部包裹鈦合金的辦法成功地保證了風(fēng)扇葉片的抗外物打擊性能；采用涂覆聚氨酯抗腐蝕涂層和使用特殊絲線縫合復(fù)材脫層部位等方式提高了風(fēng)扇葉片的抗腐蝕性能。

波音 787用的GEnx 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)采用7.62mm厚的三維織物以±60°方式編織，并在邊角及彎曲處與二維織物混編在一起。編織采用自動(dòng)化工藝，織物繞一風(fēng)扇機(jī)匣工具編織成平面狀。在中部編織厚層作為風(fēng)扇葉片的包容層，從而取消了鋁合金機(jī)匣上用的凱芙拉墊。織物一經(jīng)鋪成，便從機(jī)匣外引入樹(shù)脂。

GEnx 風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)方法與 GE90-115B 相同，但葉片數(shù)量降到18片(GE90-115B 為22片)，直徑為 2.82m 的風(fēng)扇又進(jìn)一步降低了噪聲。由于尖銳邊緣的復(fù)合材料有磨損的趨向，在葉片的前緣、葉尖及后緣增加了可以更換的鈦金屬包覆層。這種葉片邊緣也可以將外物打傷能量分散到風(fēng)扇復(fù)合材料中去。復(fù)合材料風(fēng)扇的使用除減重外，葉片數(shù)量的減少還可減少空氣阻力、降低噪聲(比 CF6 降低 30%)。由于復(fù)合材料本身具有耐腐蝕、耐疲勞的特性，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)。由于復(fù)合材料葉片受到外物撞擊后，易于破碎成幾塊，在吸收撞擊能量的同時(shí)，還降低了對(duì)風(fēng)扇機(jī)匣和包容環(huán)的撞擊程度，這使得復(fù)合材料葉片在減輕自身質(zhì)量的同時(shí)，還減輕了風(fēng)扇包容系統(tǒng)、風(fēng)扇盤以及整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量。另外，復(fù)合材料葉片還在抗顫振等方面優(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。

法國(guó)斯奈克瑪發(fā)動(dòng)機(jī)公司采用編織復(fù)合材料和脂傳遞模塑技術(shù)最新研制的LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)同樣采用碳纖維復(fù)合材料制造的18片風(fēng)扇葉片，其數(shù)量比 CFM565C減少一半，是CFM56-7B的3/4。1.8m 直徑的葉片采用三維編織、樹(shù)脂傳遞模塑技術(shù)制造，可以給每架飛機(jī)減輕超過(guò)450kg的質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)為設(shè)計(jì)高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)，也正積極開(kāi)展先進(jìn)復(fù)合材料的理論與研究，并取得了一定的成績(jī)。1972年北京航空制造工程研究所以中等強(qiáng)度碳纖維為增強(qiáng)體，以648環(huán)氧樹(shù)脂為基體研制出某型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，質(zhì)量是鈦的56%，榫頭拉斷強(qiáng)度為設(shè)計(jì)值的 5 倍；由于振動(dòng)阻尼系數(shù)為鈦葉片的5倍，因而可以省去阻尼凸臺(tái)。某渦扇系列發(fā)動(dòng)機(jī)中，已經(jīng)廣泛采用先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料T300/KH304和T300/BMP316等制造復(fù)合材料外涵機(jī)匣，整體葉盤(外緣)纏繞結(jié)構(gòu)等。在下一代高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)中，先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料將進(jìn)一步用于制造風(fēng)扇機(jī)匣、葉片，乃至低壓壓氣機(jī)機(jī)匣部件。

2金屬基復(fù)合材料

憑借密度小(有的僅為鎳基合金的 1/2)比剛度和比強(qiáng)度高、耐溫性好等優(yōu)點(diǎn)，碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料在壓氣機(jī)葉片、整體葉環(huán)、盤、軸、機(jī)匣、傳動(dòng)桿等部件上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。美國(guó)的 F100 發(fā)動(dòng)機(jī)用硼纖維/鋁復(fù)合材料制作壓氣機(jī)葉片，不但可省掉鈦葉片需要的防顫振罩，增加空氣動(dòng)力效率，且可減少葉片數(shù)量，提高葉尖速度和降低成本。

3陶瓷基復(fù)合材料

目前主要的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品是以SiC或碳纖維增強(qiáng)的SMC和SiN基復(fù)合材料。憑借密度較小(僅為高溫合金的 1/4~1/3)，力學(xué)性能較高、耐磨性及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，陶瓷基復(fù)合材料，尤其是纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫靜止部件(如噴嘴、火焰穩(wěn)定器、燃燒室火焰筒、燃燒室和內(nèi)外襯等)，并正在嘗試應(yīng)用于渦輪轉(zhuǎn)子葉片、渦輪導(dǎo)流葉片等部件上。其中，SiC/C復(fù)合材料整體渦輪葉盤和 CMC-SiC 渦輪導(dǎo)向葉片(圖1-5)，不冷卻或簡(jiǎn)單冷卻，可提高渦輪前使用溫度，降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量并提高壽命。

 

復(fù)合材料在導(dǎo)彈和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

火箭外殼纖維纏繞成型

以碳纖維復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展推動(dòng)了航天整體技術(shù)的發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭、彈體箭體和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)部件和衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯及耐燒蝕部件等重要防熱材料，C/C 最早用作其噴管喉襯，并由二維、三向發(fā)展到四向及更多向編織。碳纖維復(fù)合材料在美國(guó)侏儒、民兵、三叉載等戰(zhàn)略導(dǎo)彈上均已成熟應(yīng)用，美國(guó)、日本、法國(guó)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體主要采用碳纖維復(fù)合材料，如美國(guó)三叉 -2 導(dǎo)彈、戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈、大力神-4火箭、法國(guó)的阿里安 -2火箭改型、日本的M-5火箭等發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，其中使用量最大的是美國(guó)赫克里斯公司生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)度為5.3GPa 的IM-7碳纖維，性能最高的是東麗T-800纖維，抗拉強(qiáng)度5.65GPa，楊氏模量300GPa。

俄羅斯海上導(dǎo)彈系統(tǒng)中的佼佼者是“圓錘”(布拉瓦) 型潛發(fā)射導(dǎo)彈，該導(dǎo)彈發(fā)射機(jī)動(dòng)性好，同時(shí)擁有海基和陸基兩種打擊版本，可以攜帶 610 分導(dǎo)式核彈頭，配備在海軍“臺(tái)風(fēng)”級(jí)，以及未來(lái)新型“北風(fēng)之神”級(jí)核潛艇上，可以突破敵方導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，有效摧毀全球任何地方的敵方目標(biāo)。這些新型導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管及大面積防熱層均使用黏膠基碳纖維增強(qiáng)的酚醛復(fù)合材料。

目前為解決固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)承載問(wèn)題，美國(guó)和法國(guó)正在進(jìn)行陶瓷纖維混合碳纖維而編織的多向(6 向)基質(zhì)、以熱穩(wěn)定氧化物為基體填充的陶瓷復(fù)合材料。SiC陶瓷制成的喉襯、內(nèi)襯已進(jìn)行多次點(diǎn)火試驗(yàn)。今天作為火箭錐體候選材料的有Al2O3、ZrO2、ThO2等陶瓷，而火箭尾噴管和燃燒室采用的高溫結(jié)構(gòu)材料有SiC、石墨、高溫陶瓷涂層等。

我國(guó)各類戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上也大量采用碳纖維復(fù)合材料作為發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、整流翠防熱材料。我國(guó)20世紀(jì)90年代后期開(kāi)展了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料材料殼體的研究，進(jìn)行了T300 CFRP固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的基礎(chǔ)試驗(yàn)、殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)、點(diǎn)火試車等全程考核中完成了12K-T700-CFRP殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，開(kāi)展了T800碳纖維CFRP多種殼體的預(yù)研試驗(yàn)。

復(fù)合材料在衛(wèi)星和宇航器上的應(yīng)用

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料被用作航天飛機(jī)艙門、機(jī)械臂和壓力容器等。美國(guó)“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)的阻熱瓦十分關(guān)鍵，可以保證其能安全地重復(fù)飛行。一共有 8 種低溫重復(fù)使用表面絕熱材料LRSI；高溫重復(fù)使用表面絕熱材料HRSI；柔性重復(fù)使用表面絕熱材料 FRSI；高級(jí)柔性重復(fù)使用表面絕熱材料 AFRI；高溫耐熔纖維復(fù)合材料FRIC-HRSI；增強(qiáng)碳/碳材料 RCC；金屬；二氧化硅織物。其中增強(qiáng)碳/碳材料 RCC，最為重要的，它可以使航天飛機(jī)承受大氣層所經(jīng)受的最高溫度 1700°C。

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的輕型化對(duì)衛(wèi)星功能及運(yùn)載火箭的要求至關(guān)重要，所以對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求很嚴(yán)。國(guó)際通信衛(wèi)星VA中心推力簡(jiǎn)用碳纖維復(fù)合材料取代鋁后質(zhì)量減輕23kg(約占30%),可使有效載荷艙增加 450 條電話線路，僅此一項(xiàng)盈利就接近衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用。美國(guó)、歐洲衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量不到總質(zhì)量的10%，其原因就是廣泛使用了復(fù)合材料。目前衛(wèi)星的微波通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)(太陽(yáng)能電池基板、框架) 各種支撐結(jié)構(gòu)件等已基本上做到復(fù)合材料化。

我國(guó)在“風(fēng)云二號(hào)”氣象衛(wèi)星及“神舟”系列飛船上均采用了碳/環(huán)氧復(fù)合材料做主承力構(gòu)件，大大減輕了整星的質(zhì)量，降低了發(fā)射成本。從 2008 年 9 月 25 日的“神舟七號(hào)”升空開(kāi)始到 2016 年 10 月17 日的“神舟十一號(hào)”上天，中國(guó)在八年多的時(shí)間里五次飛天。在飛船、衛(wèi)星、返回艙中大量使用的碳纖維復(fù)合材料，為這一舉世矚目的成就立下了汗馬功勞。