先进纤维增强树脂基复合材料在航空航天工业中的应用

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欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 随着气动热力学、结构力学和材料科学等的飞速发展，较高的性能、良好的经济性、极好的环保特性和很高的可靠性已经成为运输机用大涵道比涡扇发动机研制的主要目标，而较高的推重比、较低的油耗、较少的信号特征、极高的可靠性已经成为战斗机用小涵道比加力涡扇发动机研制的主要目标。 研究表明，在不改变目前航空涡扇发动机结构布局的前提下，上述目标要想取得突破，创新的材料和新颖的结构方案是极其关键的因素。树脂基复合材料以其具有：（1）制件质量轻、强度高，具有突出的比强度和比模量；（2）制件成型方便，成本较低；（3）成型工艺成熟等明显优势，并已经成为航空涡扇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，已经广泛地应用在大涵道比涡扇发动机和小涵道比加力涡扇发动机的外涵机匣、转子叶片、静子叶片、包容机匣以及发动机短舱和反推力装置等部件上。 纤维增强树脂基复合材料部件的开发和应用 纤维增强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。目前，英国的R·R公司、美国的GEAE公司和P&W公司、德国的MTU公司和法国的SNECMA公司都进行了大量的开发和验证工作，也都取得了很大的进展，已经将树脂基复合材料成功地应用到部分大涵道比和小涵道比航空涡扇发动机上。 1 GEAE公司 为了减轻发动机质量，降低生产成本，GEAE公司已经将先进的纤维增强树脂基复合材料应用到航空涡扇发动机的较多低温部件中，如外涵机匣、风扇转子叶片、包容机匣。公司还进行了应用于静子叶片、风扇框架、整流罩、叶冠等部件的大量开发和研究工作。 2 P&W公司 树脂基复合材料在P&W公司涡轮发动机上的应用始于20世纪70年代。至80年代，P&W公司首先从外部部件入手，尝试研究了喷管外部调节片、加力燃烧室筒体、风扇包容环、风扇机匣等部件。尔后，一直在开发和尝试用于其他一些低温部件。 3 R·R公司 20世纪60年代，R·R公司开始开发玻璃纤维增强的树脂基复合材料部件。1977年投入使用的第一代垂直起飞战斗机的升力发动机RB162发动机，就采用了Kerimid60材料制造的压气机机匣、静子和转子叶片。虽然该发动机仅用于起飞时的几分钟，但是，到目前为止，仍是唯一采用全复合材料压气机的投入使用的航空发动机。 4 MTU公司 (1) 驱动涡扇发动机开发的复合材料部件技术。MTU公司开展的齿轮驱动大涵道比涡扇发动机的研制工作，始于1985年起动的德国国家反转闭式整体桨扇发动机（CRISP）技术研究计划支持的CRISP项目。20世纪80年代中期，MTU公司在CRISP项目下开展了树脂基复合材料压气机静子叶片和转子叶片的设计、加工和验证工作。 (2)J200 发动机未来改进开发的纤维复合材料结构件。 按照一项军用发动机技术研究计划（为改进EJ200发动机），2000年12月，MTU公司开始进行设计点总增压比为5.1的3级低压压气机试验件的试验。在从慢车到起飞的整个工作转速范围内，该试验件具有令人格外欣喜的喘振裕度和性能。进口导流叶片（IGV）具有由碳纤维增强塑料（CFRP）制作的可调襟叶。其前支板是固定的钛叶片，有供油和供气通道；钛支板起机械支承结构的作用，以至在直接的高速冲击下也有足够的抗鸟撞能力。与实心钛叶片设计相比，可调CFRP襟叶能减轻总质量7kg。采用树脂转换模技术，其加工费用与空心钛襟叶设计的加工费用相当。结构设计阶段和在相关的部件机械试验表明：CFRP襟叶的振动水平较低；耐磨能力足够；支板/襟叶设计合理，可以确保具有抗鸟撞和抗喘振能力。 综上所述，经过几十年的发展，纤维增强的树脂基复合材料已经被美国、英国、法国等航空发动机技术先进国家广泛应用在航空涡扇发动机的低温部件上。回顾与总结此类部件的研制历程和应用情况，可以发现其发展具有以下特点。 1 耐高温能力提高，应用范围扩大 目前，应用在涡扇发动机部件上的较为成熟的纤维增强树脂基复合材料主要包括纤维增强PMR-15基复合材料和凯芙拉增强环氧树脂基复合材料等。由于耐温能力较差，这些材料还仅限于应用在工作温度较低的冷端部件上。为了扩大纤维增强树脂基复合材料的应用范围，世界航空发动机技术先进国家开发了耐更高温度的多种树脂基复合材料，如HT-S/L a R C-160、A S4/P M R-Ⅱ、T40R/PMR-Ⅱ、T40R/V-CAP-50、QuaHZ/AFR-700B、Celion6K/LaRC-RP46等，并在航空涡扇发动机或验证机上对其进行了验证。具体实例包括：在F110IPE发动机上，对VCAP-75基复合材料后整流部件进行了验证；在IHPTET计划验证机上，对AFR700B基复合材料支板进行了验证，并准备应用于F136发动机上；在IHPTET计划验证机上，对AFR700B基复合材料外涵机匣等静止部件进行了验证，并准备用于F119发动机上。 由航空涡扇发动机性能不断提高和质量不断减轻的明显发展趋势树脂基复合材料涡扇发动机部件发展特点决定,未来涡扇发动机不得不大量采用先进复合材料和相应的新颖结 构，因此，有理由相信，随着耐温能力更强的新型树脂基复合材料的验证和成熟，树脂基复合材料涡扇发动机部件的工作温度将得到提高，应用范围也将逐步扩大，最终将应用到工作温度稍高的核心机上。 2 制造技术自动化，成本降低 经过多年的开发和研究，国外树脂基复合材料制件的制造技术已经发展得较为成熟，部分实现了自动化。采用自动化纤维铺放技术，可以取代手工铺放，降低成本38%，减少劳动工时60%，减少零件数量80%采用自动化RTM成形技术，可以降低纤维铺放成本，制造出形状复杂的制件，提高生产的可重复性，并可将材料消耗降低到最低程度；采用先进的自动化纤维引导铺放、树脂膜浸渍和真空辅助RTM造型技术，可以实现复杂几何形状、大尺寸、厚截面和高精度的航空涡扇发动机部件的低成本制造。 与RTM相关的制造技术，如树脂膜浸渍技术（RFI）和真空辅助树脂转移造型（VARTM）技术尚在发展之中。2020年前，国外将进一步开发更加高效、可靠、低成本的制造方法和设备，探索研究具有良好加工性能和优良热稳定性的新聚合物合成技术。 3 设计与制造一体化，综合能力提高 复合材料的形成过程就是复合材料制件的加工过程。复合材料制件的应用不是简单的材料替代，而是需要设计、制造和材料研究人员针对特定的结构，共同选择和确定材料的组分比例与取向、制件的形状和质量等，使材料和制件在同一工艺操作过程中达到整体优化。 随着复合材料3D设计方法和设计制造一体化思想的形成和不断成熟，复合材料发动机部件将实现结构设计与材料选择的真正融合，综合性能潜力将得到充分发挥。(end)

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