复合材料·民用航空发动机树脂基复合材料应用

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本文摘要：（由ai生成）

树脂基复合材料在民用航空发动机中应用广泛，如风扇叶片、机匣等部件，国外企业如通用电气、普拉特·惠特尼和罗尔斯·罗伊斯等已取得显著进展。这些应用能降低发动机重量、提高可靠性和环保性。中国需加强结构设计、原材料、制造工艺和验证评价等研发，以实现树脂基复合材料在民用涡扇发动机应用的突破性发展。

树脂基复合材料在国外民用航空发动机的应用状况

近些年美国通用电气公司(USA, general electric company, GE或通用电气)、美国普拉特·惠特尼公司(USA, pratt & whitney group, P&W或普·惠)、英国罗尔斯·罗伊斯公司(UK, rolls-royce group, R·R或罗·罗)等在树脂基复合材料发动机部件应用方面取得了较大进展。以普·惠公司为例，1970年首先在JT9D发动机上使用玻璃纤维/环氧树脂复合材料制备了风扇整流锥。为了进一步减重，1981年采用芳纶纤维/环氧树脂复合材料制备了JT9D-TR4发动机整流锥。之后树脂基复合材料被大量应用于普·惠发动机上，如PW404发动机树脂传递模塑工艺(resin transfer moulding, RTM)制备的碳纤维/环氧树脂风扇叶片垫块、PW4168发动机双马树脂复合材料整流罩和碳纤维/环氧树脂复合材料反推力装置等短舱部件。图1中列出了目前国外民用涡扇发动机树脂基复合材料应用部位、材料体系及制备工艺。图中1~12依次为涡扇发动机电控单元匣、进气道消声衬板、风扇叶片、进气整流锥、进气整流罩、发动机检视门、反推力装置、压气机整流罩、外涵道、出口导流叶片、风扇机匣、发动机短舱等部件。以下将对国外民用航空发动机典型树脂基复合材料部件应用发展状况进行详细分析。

1 风扇叶片

20世纪七十年代，罗·罗公司最早尝试将碳纤维树脂基复合材料应用于RB211发动机风扇叶片。但由于所使用复合材料基体韧性较低，最终未能通过风扇叶片鸟撞测试，导致该型发动机沿用了传统钛合金风扇叶片。

随着低质量、高进气效率、大涵道比航空发动机的研发及树脂基复合材料性能的提高，上世纪90年代通用电气公司选取美国赫氏公司(USA, Hexcel Corporation) HexPly 8551-7韧性环氧树脂为基体，IM7碳纤维为增强纤维，采用单向预浸料模压工艺制备GE90发动机进气风扇叶片。叶片表面涂覆聚氨酯防腐涂层提高叶片抗腐蚀性能。叶片前缘使用美国3M公司(USA, 3M Company) AF191胶黏剂粘接钛合金薄片增强叶片抗冲击性能。叶片根部具有自润滑特氟龙耐磨层（图2（a））。此后通用电气公司GEnx和GE9X型发动机均采用树脂基复合材料风扇叶片。

在适用于单通道客机的中小推力发动机方面，传统CFM56系列发动机采用钛合金风扇叶片及合金钢金属机匣。为进一步减轻发动机重量，降低燃油消耗，美国通用电气和法国赛风集团(France, Safran Group)旗下斯奈克玛公司(SNECMA)合资成立的CFM国际公司(USA & France, CFM international company, CFMI)开发了LEAP系列发动机。LEAP系列发动机风扇叶片采用3D整体编织技术制备了具有三维交织结构且近似零尺寸误差的纤维预成型体（图2（b））。通过树脂传递模塑工艺灌注树脂实现纤维浸润和树脂固化（图3）。其中纤维三维编织结构可有效提高叶片抗冲击性能。

2020年1月上旬，罗·罗公司在英国布里斯托开始了名为“超级风扇”(UltraFan®)的发动机原型机制造。该发动机采用全树脂基复合材料风扇叶片和机匣。风扇叶片由碳纤维/韧性树脂预浸料铺贴固化而成。叶片前缘采用与GE90风扇叶片相似的钛合金包边起抗腐蚀和异物冲击作用。罗·罗公司预计该型发动机装机服役后，可实现飞机整体减重700 kg，相比第一代遄达系列发动机更为省油，降低至少25%的二氧化碳排放。

图1 树脂基复合材料在民用涡扇发动机的应用

图2 GE90（a）及 LEAP系列航空发动机复合材料风扇叶片（b）

图3 LEAP系列发动机树脂基复合材料风扇叶片制造过程

(a) 三维纤维预成型体制备；(b) 纤维预成型体装模；

2 风扇机匣

发动机运转过程中叶片因遭受撞击或疲劳断裂时，风扇机匣对脱落叶片起包容作用，避免其对飞机其他部分造成损害。因而风扇机匣是维系飞机服役安全可靠的重要部件。

早期涡扇发动机风扇叶片多为钛合金材质，一旦脱落对风扇机匣的冲击能量较大。风扇机匣多采用铝合金、钛合金或高强度合金钢制造，以增加结构厚度提高包容效果，称为硬包容。之后研发出以环形金属机匣壳体为内衬，外部依次缠绕若干圈芳纶纤维编织条带为保护层的复合结构机匣，依靠芳纶纤维层易于发生大变形吸能的特点捕获碎片，故而称为软包容。

由于发动机风扇涵道比日趋增大，风扇部分在发动机总重中占比变大，高性能轻量化的要求越发迫切。伴随着GE90系列发动机复合材料风扇叶片的成熟使用，在后续GEnx型发动机上GE公司研发了全复合材料风扇机匣。该机匣采用自动化二维三轴编织技术将日本东丽公司(Japan, Toray Industries, Inc) TORAYC T700碳纤维按0°及±60°三个方向编织成厚度为7.62 mm纤维预成型体。利用树脂传递模塑工艺灌注CYCOM PR520环氧树脂(比利时索尔维集团(Belgium, Solvay Group)旗下氰特公司(Cytec Industries )产品)固化成型。法国赛风集团旗下斯奈克玛公司也采用了增强纤维3D编织技术及树脂传递模塑工艺制备了LEAP系列发动机复合材料风扇机匣，如图4所示。

图4 民用涡扇发动机风扇机匣结构变化

3 声衬

进气风扇噪声已成为现代大涵道比航空发动机噪声的主要来源。在进气道内铺设声衬是航空发动机消声降噪的重要方式之一。声衬所具有的穿孔板蜂窝结构可视为数个并联的亥姆霍兹共振结构。当其共振频率与噪声频率匹配时起到消声效果。传统单自由度声衬噪声吸收频带较窄，多自由度声衬虽能拓宽吸声频带，但也存在加工工艺复杂、尺寸较大、结构增重较多的问题。

基于以上问题，赫氏公司开发了商品名为Acousti-Cap的隔帽内嵌式蜂窝，如图5所示。由表面穿孔柔性材料（如聚醚醚酮，PEEK）折叠成隔帽形状嵌入蜂窝腔中胶粘定位，从而起到双自由度声衬中声学隔膜的作用。蜂窝声阻抗特性可以由以下3个因素调节：（a）蜂窝腔中隔帽数量；（b）蜂窝腔中隔帽位置；（c）不同种类声阻抗特性隔帽。相比传统多自由度声衬，采用该种蜂窝制备声衬厚度较薄所需安装空间小，声衬整体结构强度较高。目前此蜂窝已用于通用电气、罗·罗、CFM国际等公司生产的多型航空发动机，不仅减轻了质量而且实现了多达30%的噪声衰减。

传统进气道消声板为拼接分片式设计，拼接造成进气道壁面声阻抗不连续削弱了消声效果。受益于复合材料进气道无拼接声衬设计，欧洲空中客车公司(Airbus)早期A320飞机发动机进气道声衬拼缝为3片15 cm，之后A340-600飞机发动机为2片7.5 cm宽。采用树脂基复合材料整体成型工艺后，A380飞机发动机为环形无拼接声衬（图6）。

图5 隔帽内嵌式蜂窝制造示意图（a)及等深（b)、非等深（c）隔帽式蜂窝实物图

图6 民用航空发动机进气道拼接式与无拼接式消声板

4 衬套

传统树脂基复合材料基体耐温性能较低，通常应用于航空发动机冷端结构及外部覆盖件。以聚酰亚胺树脂为代表的耐高温树脂基体研发使树脂基复合材料用于航空发动机近热端部件成为可能。聚酰亚胺衬套是树脂基复合材料在压气机等耐温要求较高部位的典型应用之一。衬套用聚酰亚胺复合材料不仅满足长期工作温度280 ℃左右，短时经受400 ℃以上的耐温要求，同时具有良好的热尺寸稳定性、自润滑性、低摩擦系数、优异的耐磨损性能和力学性能。美国杜邦公司(USA, DuPont Company)开发了Vespel系列聚酰亚胺复合材料，其中包括石墨填充聚酰亚胺复合材料（如Vespel SP-21、SP-22等）及碳纤维织物增强聚酰亚胺复合材料（如：Vespel CP-8000、CP-0664等）。该系列聚酰亚胺复合材料已应用于罗·罗公司BR710型、普·惠公司PW6000系列等多型航空发动机压气机可调静子叶片衬套，如图7所示。

图7 航空发动机聚酰亚胺复合材料衬套

5 反推力装置

材料和结构同时成型是树脂基复合材料区别于金属材料的特点之一。这为航空发动机大型复杂部件的整体化设计、一体化制造提供了可能。美国奈赛公司(USA, Nexcelle)摒弃了传统的分离式子系统设计理念，在中国商飞公司(China, commercial aircraft corporation of china, Ltd., COMAC) C919大型客机装备的LEAP-1C发动机上开发了集成式推进系统（integrated propulsion system, IPS）。其中包括一体式复合材料进气整流罩和整体复合材料“O型”滑动反推装置，如图8所示。

图8 LEAP-1C发动机一体式整流罩和“O型”滑动反推装置

展望

经过数十年的发展，树脂基复合材料在民用涡扇发动机上得到了广泛的应用。树脂基复合材料不仅降低了航空发动机结构质量，在发动机可靠性、经济性和环保性方面也起到了积极的推动作用。其用量已成为衡量航空发动机先进性的重要标志。

国外在航空发动机复合材料应用方面已经积累了大量试验数据和服役经验，在多型航空发动机上已获得较为成熟的应用。相比而言，我国在民用航空发动机树脂基复合材料部件研发应用方面还存在一定差距。需要从结构设计、原材料、制造工艺、验证评价等诸多方面进行赶超。相信随着国内树脂基复合材料技术的日益进步，我国树脂基复合材料在民用涡扇发动机的应用必将迎来突破性发展。

来源：航空材料学报

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来源：碳纤维生产技术

航空航天·智能复合材料-“生命智能”的航天型材

本文摘要：（由ai生成）智能复合材料具备自检测、自诊断、自监控、自愈合及自适应能力，成为复合材料技术的重要趋势。它们能感知环境并自主执行指令，提升设计和应用水平。结构监测技术可实时预测材料寿命，自修复技术增强安全性和可靠性。形状记忆复合材料适用于航天结构，压电材料则用于结构减振，满足航天需求。这些智能功能使复合材料在多个领域展现出巨大潜力。过去在复合材料领域中基本上是结构复合材料一统的局面，目前已经逐步被功能复合材料所改变，而功能复合材料还正在向多功能复合材料方向发展，使材料不仅是一种结构而且还具有功能或多种综合功能。智能复合材料即是一类能感知环境变化，通过自我判断得出结论，并自主执行相应指令的材料。其具备了生命智能的三要素：感知功能(监测应力、应变、压力、温度、损伤)、判断决策功能(自我处理信息、判别原因、得出结论)和执行功能(损伤的自愈合和自我改变应力应变分布、结构阻尼、固有频率等结构特性)，集合了传感、控制和驱动功能，能适时感知和响应外界环境变化，作出判断，发出指令，并执行和完成动作，使材料具有的自检测、自诊断、自监控、自愈合及自适应能力，是复合材料技术的重要发展，其发展将全面提高复合材料的设计以及应用水平。智能复合材料通常是在成型过程中，将传感材料、致动材料紧密地融合到预浸料铺层、湿片铺层、纤维铺放、纤维缠绕和树脂传递模塑(RTM)等复合材料上，同时通过与之集成的控制器，使复合材料在承受机械载荷的同时，能自诊断、自适应、自愈合，实现复合材料的智能化。结构监测技术可以对复合材料构件内部的应变、温度、裂纹进行实时测量，探测其疲劳和受损伤情况，从而实现对结构进行监测和对寿命进行预测。例如：监测复合材料结构在制造、加工及在运输、贮存期间可能产生的结构损伤，及时检测出可能产生的基体与纤维断裂、分层，内衬层与复合材料层脱粘，以及受到的冲击损伤等。目前一些先进国家采用光纤智能材料与结构进行复合材料的状态监测与损伤估计，即在材料或结构的关键部位埋置光纤传感器或其阵列，进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测。美国Acellent技术公司对固体火箭发动机和液体燃料贮箱结构完整性监测进行了研究。所检测的纤维缠绕复合材料容器直径380 mm，长500 mm。在壳体中周向等间隔埋设8条带子，每条带上约等间距地有5个直径6.4mm、厚0.25mm的压电传感器，40个传感器大致成为一个彼此等间距的正方形网格，其中4条带子埋在铝内衬的环向缠绕层上，4条埋在表层缠绕层下，壳体缠绕完成后固化。用球锤冲击出1个直径约12 mm的损伤，将检测到的损伤前后的传感器信号进行比较，并对各传感器的距离作归一化处理，组合各信号图即可显示冲击损伤的大致位置和损伤程度。德国的ECHE等研制出一套基于12个FBG传感器的空间分布式传感网络系统，用于x一38飞行器本体结构的健康监测。FBG传感器被黏贴于X-38飞行器背部元件的表面，用于监测飞船在发射和返航过程中的力学载荷和热载荷。通过测量高载荷结构部件的空间温度分布和应变，可估算飞行器主要结构部件的剩余寿命，实现了对飞行器的健康监测。日本TOSHIMICH等利用压电陶瓷(PZT)致动器／FBG传感器，实现了对新一代航天器先进复合材料结构的损伤监测。为监测航天器的复合材料内部出现的损伤，将FBG传感受器埋入碳纤维增强树脂铺层结构中，利用致动器发射弹性波。当在弹性波传播方向存在损伤时，弹性波强度会衰减，波速出现变化，可探测损伤的存在。在外界应力等环境因素的影响下材料不可避免地产生裂纹等损伤，从而造成性能下降；损伤的累积还会造成材料失效。采用传统的机械连接、塑料焊接和胶接等修复技术可以对材料的可见裂纹进行修复，但是对于材料内部的微观损伤已经不能采用传统修复技术，因此必须寻找合适的修复方法提高复合材料的整体性能和安全可靠性。目前主要分为两种类型，一种是埋植式自修复复合材料；另一种是原位自修复复合材料。前者是通过在基体材料中埋人在一定条件下可以赋予材料自修复功能组分的复合材料，材料一旦产生缺陷，可以模仿生物体损伤愈合的原理，埋置的材料组分在压力、热等条件下释放出修复剂，这种修复剂可流至损伤面，与基体材料中的催化剂接触可发生聚合反应，起到粘合裂纹的目的。后者是指在基体材料中不另外加入任何修复介质的情况下，材料本身能够在一定条件下进行自我修复的特殊复合材料。Zako M等研究了微胶囊环氧树脂体系，采用将浸渍胶黏剂的热塑性小粒子(50um)填充在玻纤／环氧复合材料中，当复合材料受到损伤，埋置在复合材料中的热塑性粒子在120℃加热10min熔融，通过三点弯曲测试实验中的加载一位移曲线和拉伸疲劳试验表明，修复后强度几乎恢复到损伤前的水平，充分显示了自修复的效果和潜力。形状记忆复合材料具有形状记忆功能，当外界条件变化使得材料的形状发生改变时，只要将外界条件恢复到初始状态，材料的形状就可以自行恢复，其具有可回复应变大、可靠性高、低密度、高比刚度、高比强度和低成本等优点。形状记忆复合材料的独特性能对航天结构尤为适用，其集结构部件和伸展机构于一体，展开过程通过加热即可实现，无需电机、轴承、位置传感器与复杂的电子控制装置和软件。它是基于聚合物材料中分子链的取向与分布即内部分子间相互作用，而并非马氏体相变。弹性记忆复合材料可采用常规的复合材料工艺制作，在固化成型后其力学性能接近于普通高性能复合材料，不同的是当温度升至高于玻璃化温度时，呈现出低模量和高破坏应变，可按各种设计要求卷曲折叠，在降至玻璃化温度以下后保证形状不会发生变化。再次加热至高于玻璃化温度时，因其聚合物基体有记忆功能，无需施加任何外力材料会恢复至初次固化成型的形状。随着温度改变，该过程可反复进行，不会对材料性能产生影响。航天领域对结构减振的需求更迫切，因为大型空间结构几何尺寸的增加和大量采用小阻尼的轻型结构，其振动频率与控制频率越来越接近，甚至部分重叠，不可避免会产生伴随振动，这已成为空间结构实际应用中重要的问题。可采用被动控制和主动控制两种方式抑制结构振动。压电材料是使用最多的一种传感和驱动元件，通过埋人压电传感器，获得结构振动信息，在此过程中通过负载电阻消耗了电能，实现了振动的部分抑制。来源：明日情报特别声明:公众号部分文章和图片来源于网络，发布的目的在于传递更多信息及分享，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。版权归原作者所有，任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议，请第一时间联系我们，我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公众号稳定发展，本公众号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公众号只提供发布平台，对广告内容的真实性或有效性不做评价，请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公众号无关，特此声明。来源：碳纤维生产技术