聚焦·民用航空发动机树脂基复合材料的应用进展

现代涡扇发动机风扇叶片运转时可能承受约100t离心载荷。离心载荷随风扇直径、旋转速度和叶片质量的增加而增大。使用树脂基复合材料降低风扇叶片质量可以增加风扇叶片尺寸及转速的设计裕度。基于复合材料优异的可设计性，复合材料风扇叶片具有S形后掠宽弦的高效气动外形，因而使用较少的叶片数量仍有较高的进气效率。同时相比钛合金中空结构风扇叶片，可实现10%~15%的减重。

随着复合材料风扇叶片设计水平的进步和材料性能的提升，经过GE90，GEnx，GE9X数个代次发展，GE公司发动机复合材料风扇叶片呈现数目降低、厚度变薄、性能更强的趋势。GE90，GEnx，GE9X三型发动机分别有22，18，16片复合材料风扇叶片。其中最新型GE9X发动机风扇叶片采用刚度更高的碳纤维作为增强体，可使风扇叶片长度更长、厚度更薄，进气效率更高。此外该叶片使用抗冲击性能更为优异的合金钢替代了GE90、GEnx发动机风扇叶片的钛合金前缘包边，后缘为特殊结构的玻璃纤维复合材料，通过叶片前后缘局部加强措施风扇叶片抗冲击性能进一步提升，可使叶片整体厚度更薄。因此尽管GE9X风扇直径达3.4m，但发动机风扇更轻、转速更快、气动效率更高，综合性能更为优异。复合材料风扇叶片的应用促使碳纤维织物/环氧树脂复合材料包容机匣的产生。全复合材料包容机匣不仅质量轻，而且兼具较高的结构刚度和较好的弹性变形，可实现对复合材料叶片的良好包容。

图5 LEAP 1C发动机一体式整流罩和“O型”滑动反推装置

减轻发动机质量是航空发动机提高燃油效率和推重比的重要途径。树脂基复合材料质轻高强，应用于风扇叶片、包容机匣等部件有效降低了发动机结构质量。例如CFM56-7B发动机24片钛合金风扇叶片总质量118kg，而LEAP系列发动机18片复合材料风扇叶片总质量仅76kg。相比同尺寸金属材质叶片和机匣，使用树脂基复合材料制备可实现整体减重455kg。

采用复合材料共固化、共胶接等整体成型技术制备大型复杂结构件，一方面可以通过结构优化提升发动机性能，另一方面可减少子部件数目，降低因部件装配连接引起结构增重及性能损失。与传统发动机多块式拼接铝合金唇口及进气道相比，LEAP-1C发动机一体式无缝复合材料进气整流罩，可避免流场不连续性造成的进气效率降低。整体化复合材料“O型”滑动反推装置替代典型两片式“D型”门设计，不仅提高了反推效率，而且实现了原有笨重液压驱动系统到先进电控驱动系统的转变，解决了“D型”门联锁机构需持续性维护的问题。总的来看，集成式推进系统增强了发动机的空气动力学性能，通过结构优化整合减少发动机质量、降低燃油消耗、可靠性更高、更易于维护，这些都将有效提高发动机的经济性，降低飞机运营成本。

从制造及检测的机械化自动化角度看，现阶段机械自动化预浸料裁剪、激光定位铺覆及纤维三维预成型体编织技术已得到较为成熟的应用。近期在罗·罗公司“超级风扇”发动机原型机制造计划中，复合材料风扇叶片和机匣分别采用了自动铺丝(图6(a))及自动铺带工艺(图6(b))制造。而三维激光测量技术(图6(c))和水下超声探伤技术(图6(d))也应用于风扇叶片叶形、尺寸测量和内部缺陷探测等检验过程中。机械自动化水平的提高，不仅提升了工作效率，保证了复合材料部件制造检测过程的标准化、准确化，同时降低了废品率和人工费用，有利于缩减航空发动机制造成本。

图6 罗尔斯·罗伊斯“超级风扇”发动机原型自动化制造及检测

复合材料优异的抗疲劳耐久性能可显著降低服役过程中部件的修理维护成本。数据显示已装机使用的GE90复合材料风扇叶片在总计750万个飞行小时里无须专门检查和现场特别维护。尽管在服役期间经历了多达100次的鸟撞冲击，但仅有三片复合材料叶片需彻底更换，显示出良好的可靠性和经济性。此外复合材料风扇叶片叶根处具有自润滑特氟龙耐磨层，当叶片装入燕尾槽后无需加入润滑剂，免去了定期润滑维护成本。

目前使用较多的纳米填料有碳纳米管(CNT)、石墨烯、氧化石墨、炭黑、纳米纤维等。Bhanuprakash等在环氧树脂基体中加入改性氧化石墨纳米填料后，玻璃纤维/环氧复合材料Ⅰ，Ⅱ型层间断裂韧性均有大幅度提高。这与该填料加入碳纤维织物环氧复合材料所得结论一致。Srivastava等将3%(质量分数，下同)CNT、石墨烯和炭黑颗粒分别加入碳纤维环氧树脂复合材料中，结果显示加入石墨烯和CNT的试样分别在Ⅰ，Ⅱ型层间断裂韧性有最大值。尽管将纳米填料直接混入树脂基体的方法简单方便，但纳米填料添加量较高时树脂黏度增大，造成工艺实施困难，纳米填料团聚引起树脂浸渍不良易在制件内部产生缺陷。因此研究者通过在层间引入纳米纤维布或具有高纳米填料含量的树脂膜或粉等方式改善复合材料层间断裂韧性。Shin等将最高9%CNT混入树脂，以含纳米管树脂膜的形式引入单向和织物碳纤维层板中。结果表明两种层板的Ⅱ型层间断裂韧性均先上升后下降，在CNT质量分数为3%时有最大值。作者认为CNT桥连效应对裂纹扩展起阻滞作用，提高了Ⅱ型层间断裂韧性。Abidin等通过在碳纤维复合材料铺层间添加含碳纳米管的树脂粉末，复合材料Ⅰ型层间断裂韧性有较大幅度改善。Ou等在碳纤维/环氧树脂复合材料界面间插入低密度碳纳米管纱，其Ⅰ型层间断裂韧性提高了60%。

此外，聚砜、聚苯乙烯、尼龙66、聚丙烯腈、聚乙烯醇缩丁醛、聚氨酯等聚合物材料可通过静电纺丝制备成纳米纤维布插入复合材料层间改善纤维增强树脂基复合材料Ⅰ，Ⅱ型层间断裂韧性。研究发现聚苯乙烯纳米纤维布不仅能提高复合材料层板层间断裂韧性同时对层板面内性能也有增强作用。而层间引入尼龙66导致复合材料层板厚略有增加，拉伸强度稍有下降。聚砜纳米纤维布在复合材料层板固化升温后与环氧树脂混溶，冷却后以微球形式发生相分离，其与环氧树脂基体粘接较弱导致复合材料层板弯曲强度和模量下降。为解决以上问题，采用聚砜/碳纳米管、聚丙烯腈/氧化铝、聚丙烯腈/碳纳米管]等不同纳米填料混合使用可避免单一纳米纤维布对面内性能的负面作用。Handschuh等在复合材料叶片前缘预浸料铺层中插入热塑性聚氨酯纳米布以改善复合材料韧性提高叶片抗冲击性能。结果表明经增韧处理后，复合材料叶片未发生目视可见的分层等表观破坏，而未经增韧处理的叶片分层及断裂破坏严重。

采用导电率较好的纳米填料“生长”或覆盖于纤维表面不仅能够提高复合材料层间断裂韧性，同时可有效改善复合材料结构的导电性能。Bhanuprakash等将氧化石墨烯及改性氧化石墨烯分别覆盖于碳纤维表面，其制备的环氧树脂复合材料Ⅰ型层间断裂韧性及导电性均有不同程度提高。Pozegic等研究表明通过在碳纤维表面生长CNT，碳纤维环氧树脂复合材料在面内方向导电率提高了330%。因层间厚度方向上形成了导电渗流通道，厚度方向导电率提高更为明显(达550%)，这与文献中复合材料厚度方向导电性能显著提升的结果一致。Duongthipthewa等在生长有碳纳米管的碳纤维表面施加石墨烯后，碳纤维/环氧树脂复合材料面内和厚度方向导电率分别提高了300%和190%，冲击性能提高了71%。针对不同树脂基体，Russello等采用表面生长有碳纳米管的碳纤维织物分别制备了热固性环氧树脂和热塑性聚丙烯树脂薄层复合材料，结果显示后者导电性能提高幅度更大。

3D打印，又称增材制造，是目前材料制造工艺发展的热点方向之一。传统制造方法通过车铣刨磨等“减法”工艺过程实现由原材料坯体到部件的制备。3D打印则采用逐层累积的“加法”工艺过程自下而上制造出部件。依照增材制材料状态及成型方式可分为光固化立体成形、熔融沉积成型、激光选区烧结、分层实体制造等。相比较传统制造工艺，增材制造可实现小批量定制化复杂部件的快速精确成形、减少原材料浪费、节约模具和人工成本、简化制造工序缩短制造周期。

目前3D打印技术在航空航天领域应用呈逐年上升趋势。3D打印技术制备的航空发动机部件主要有燃油喷嘴、涡轮叶片等金属部件。近些年在3D打印树脂及其复合材料方向也开展了初步的研究工作。美国国家航空航天局兰利研究中心采用光固化立体成形技术制造了纯树脂材质变厚度声衬模型件，并使用掠流阻抗管验证了变厚度声衬的消声特性(图9(a))。格伦研究中心选取Stratasys公司Ultem9085树脂体系，采用熔融沉积法制备了声衬和穿孔发动机检视门(图9(b)，(c))。风洞实验表明该工艺制造的声衬与传统蜂窝芯/穿孔面板声衬相比具有相似的吸声性能。为提高制件力学性能该中心将10%短切AS4碳纤维加入Ultem1000树脂体系，使用熔融沉积法制备了压气机入口导流叶片(图9(d))。研究发现相比未添加短切碳纤维树脂体系，添加后拉伸强度和模量分别提高了23%和38%，但制件孔隙率达25%，脆性较大。这是由于碳纤维填充Ultem1000树脂体系后，在420℃时熔体黏度才能满足工艺要求。高温会使树脂体系中低分子量水汽等挥发性组分及挤出过程中卷裹的气体膨胀，从而导致出口导向叶片孔隙率较高。作者认为通过控制Ultem1000树脂体系分子量分布，使其在较低温度下具有合适的工艺操作，黏度可在一定程度上降低 制件孔隙率。

图9 航空发动机3D打印树脂及其复合材料部件

此外Impossible Objects公司所研发的碳纤维/聚醚醚酮树脂体系可耐250℃高温。其制件性能为传统铝合金的三分之二，但质量仅为铝合金的1/2，可用于航空机部件3D打印工艺。