先进航空发动机树脂基复合材料技术现状与发展趋势

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1、先进航空发动机树脂基复合材料技术现状与发展趋势陈巍(中航商用航空发动机有限责任公司，上海201108)【摘要1介绍了先进树脂基复合材料在国内外航空发动机上的应用需求与发展现状，讨论了国内航空发动机树脂基复合材料研制遇到的问题。最后分析了航空发动机树脂基复合材料在原材料、低成本技术、设计工具与体系、适航要求等方面亟待解决的问题。关键词：树脂基复合材料；航空发动机；风扇机匣；风扇叶片DOI：lO．16080／j．issnl671—833x．2016．05．068中航商用航空发动机有限责任公司高级工程师。主要从事航空发动机树脂基复合材料设计研制。大型客

2、机的发展是新一代商用航空发动机技术不断发展的动力，在性能、涵道比、耗油率、制造与维护成本、噪声、长寿命等方面都对新一代航空发动机提出更高要求l卜21。这也使国际民用航空发动机市场竞争日68航空制造技术·2016年第5期趋激烈，航空发动机领域技术发展也愈加迅速。世界航空发动机OEM巨头GE、R·R、P·W为保持各自市场份额，维持其霸主地位，分别加快推进新一代民用航空发动机研制步伐。以GEnx、Pwl000G、Leap—x、Trentl000等为代表的新型大涵道比民用涡扇航空发动机为应对市场发展的挑战，均采用了多项新技术、新材料，以保证其产品的高性能

3、、良好经济性、高可靠性和环保性，这在客观上也为未来大涵道比民用涡扇航空发动机的技术发展确立了新的标准和发展方向，也可以说是为民用涡扇航空发动机设立了新的更高准人门槛。在不改变目前涡扇航空发动机结构布局的前提下，新材料的应用和新的结构方案是实现航空发动机先进性的重要技术手段。树脂基复合材料以其高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、具有可设计性、材料，设计，制造一体性、低成本等一系列优点，已经成为航空发动机设计与制造商所青睐的高性能冷端部件的重要候选材料，并逐渐开始在航空发动机冷端部件、短舱和反推部件上得到应用。从材料的角度看，树脂复合材料在航空发动机

4、上的应用甚至已经成为航空发动机先进性的重要标志【3剖。树脂基复合材料是以树脂材料为基体、高性能连续纤维为增强材料，通过复合工艺制备而成，具有明显优于原组分性能的一类新材料。目前广泛应用的树脂主要包括环氧树脂、双马树脂和聚酰亚胺树脂，增强纤维主要包括碳纤维、玻璃纤维，工程上更习惯将碳纤维增强复合材料称为先进树脂基复合材料。要研制具有自主知识产权的国产先进航空发动机，并取得市场优势，就必须着眼未来，开展先进航空发动机用树脂基复合材料的关键技术攻关与工程化应用工作。为此，应当首先了解国外先进航空发动机树脂基复合材料应用现状与发展趋势，结合国内树脂基复合

5、材料技术现状，明确国产航空发动机对树脂基复合材料的研制需求与差距，在此基础上制定目标，开展相应的研制工作。脓。呲怔航空发动机国外先进航空发动机树脂基复合材料应用现状树脂基复合材料在航空涡扇发动机上的应用研究始于20世纪50年代，经过60余年的发展，GE、P·w、R·R以及MTu、SNECMA等公司投入了大量精力进行树脂基复合材料研发，取得了很大进展，已经将其工程化应用到现役航空涡扇发动机，并且还有进一步扩大应用量的趋势

6、5。7l。树脂基复合材料的服役温度一般不超过350℃。因此，树脂基复合材料主要应用于航空发动机的冷端。树脂基复合材料在国外先进航

7、空发动机上的主要应用部位如图1所示。1风扇叶片发动机风扇叶片是涡扇发动机最具代表性的重要零件，涡扇发动机的性能与其发展密切相关。据统计，风扇段质量约占发动机总质量的30％。35％，降低风扇段质量是降低发动机质量和提高发动机效率的关键手段，采用更大、更轻的风扇叶片已成为发动机的发展趋势。风扇叶片每减重lkg，风扇机匣和传动系统也相应减少1kg，同时发动机结构和飞机的机翼／机身结构也分别减重0．5kg，这种由于风扇结构减重带来的叠代效应对飞机的减重非常重要。与钛合金风扇叶片相比，树脂基复合材料风扇叶片具有非常明显的减重优势，此外，树脂基复合材料风扇叶

8、片受撞击后对风扇机匣的冲击较小，有利于提升风扇机匣包容性。目前，国外已进行商业化应用的复合材料风扇叶片的主要代表有为波音777配套的GE90系列发动机，为波音787配套的GEnx发动机，还有为中国商飞C919配套的LEAP—x发动机。1995年，装配树脂基复合材料风扇叶片的GE90—94B发动机正式投入商业运营，标志着树脂基复合材料在现代高性能航空发动机上正式实现工程化应用。在综合考虑空气动力学、高低周疲劳循环等因素的基础上，GE公司又为后续的GE90一115B发动机研制了新的复合材料风扇叶片。经过11年累计890万h的飞行，GE90—115B发

9、动机仅有3片复合材料叶片被更换下来，证明复合材料叶片适用于严格的商业飞行要求。上述发动机的复合材料风扇叶片均为铺层结构，即采用碳纤维／环