連續纖維增強複合材料在民用航空發動機上的應用

渦扇發動機具有推力大、油耗低、噪聲小和可靠性高等優點，成為大型民用客運和貨運飛機的主要動力裝置。進入 21 世紀以來，隨著空客 A380、波音 787等大型飛機的啟用，作為決定大型民用飛機研製成功與否的關鍵因素，民用航空發動機越來越受到世界航空強國的重視。

本文詳細介紹並分析了國外連續纖維增強複合材料的應用，概述了碳纖維、芳綸纖維、碳化矽纖維和玻璃纖維等連續纖維增強的複合材料在民用航空發動機上的應用，指出了國內民用航空發動機應用連續纖維增強複合材料選材的發展方向。

國外連續纖維增強複合材料的應用

連續纖維作為複合材料的增強體，決定著複合材料在各種環境中的主要力學效能（沿纖維方向的效能），還影響著材料的體積、效能和其可設計性，因此成為複合材料的研發核心。連續纖維增強複合材料憑藉其質量輕、結構強度高和技術較成熟等優點，在一直以減質為需求的民用航空領域備受重視，廣泛應用於民用航空發動機的帽罩前錐、風扇轉子靜子和出口導流葉片及其機匣和包容環、發動機短艙和反推裝置、消聲結構和高低壓渦輪葉片等部件上。連續纖維增強複合材料在 GE、RR、PW 、IAE 和 CFM I等歐美主要發動機公司的應用情況見下表，可滿足發動機對高推質比、低耗油率和低維修成本的需要。

連續纖維增強複合材料在國外民用航空發動機上的應用部位

歐美航空發動機公司用連續纖維增強複合材料構件

與傳統金屬材料相比，連續纖維增強複合材料具有密度低、比拉伸強度和比拉伸模量高等優點，在航空發動機的低溫和高溫部件上應用都具有一定競爭優勢。民用航空發動機使用的連續纖維增強複合材料按增強體材料不同分為碳纖維、芳綸纖維、碳化矽纖維和玻璃纖維增強複合材料等。

連續纖維增強複合材料與金屬材料效能比較

注：因選擇的材料具體牌號不同，具體數值有所差異

連續纖維增強複合材料的使用溫度與比拉伸強度

碳纖維增強複合材料

碳纖維主要是由 PAN（聚丙烯腈）碳化製造的纖維狀碳素材料，具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、抗化學腐蝕、低電阻、高熱導、低熱膨脹和耐化學輻射等特點，廣泛用於航空結構件上。早期碳纖維的缺點是脆性大、抗衝擊性和高溫抗氧化性較差。為了同時滿足高強度和輕質量的要求，需研製以 IM 7、T800 纖維等為代表的中等模量、高拉伸強度的碳纖維。

GE 公司的 GE90 和 GEnx 發動機的風扇葉片均採用碳纖維增強環氧樹脂複合材料，其中增強體採用IM 7 高強中模碳纖維，基體材料採用增韌改性環氧樹脂。與 T300 碳纖維相比，IM 7 和 T800 碳纖維的拉伸強度和彈性模量等都有較大提高，其中拉伸強度分別提高 53% 和 67% ，彈性模量分別提高 28% 和 30% ，斷裂伸長率分別提高 27% 和 33% 。T300 級碳纖維已經具備國產化能力，但還應該加快開展 IM 7 級中模量高強碳纖維的研製開發。

典型碳纖維效能比較

用於波音 777 飛機的 GE90 發動機的風扇是世界上尺寸最大的風扇之一，其直徑達到 3。12 m ，轉子由 22 片無凸臺全複合材料葉片組成，葉片長 1。22 m ，葉尖弦長 0。533 m ，榫頭寬 0。305 m ，起飛時進入風扇的空氣流量為 1313 kg/s。大尺寸風扇葉片在設計時如果採用鈦合金製造成空心結構，風扇整體質量很大，運轉時巨大的離心力會導致輪盤無法承受而破壞，榫頭強度也是難以解決的問題。為此，GE 公司採用 IM 7 碳纖維增強環氧樹脂預浸料帶從葉根到葉尖採用鋪層逐漸減薄的方式製成風扇葉片解決了上述問題，並通過了鳥撞取證試驗。

GE90 發動機風扇葉片採用了複合材料後，發動機的可靠性也大大加強。據統計，GE90 發動機在投入使用的 9 年中，曾遭遇過 85 次鳥撞擊，但都沒有對風扇葉片造成明顯損傷；在 GE90-115B 發動機累計 600 萬飛行小時內，只有 3 次因鳥撞或外物打傷而更換 3 片複合材料風扇葉片。經過長期使用後，GE 公司認為複合材料風扇葉片在使用中可以免維護，而且在抗顫振等方面優於金屬葉片，更利於實現大涵道比，進而達到降低油耗和提高效率的目的。

用於波音 787 客機的 GEnx-1B 發動機的風扇佔發動機總質量的 33% ，為滿足減質的需要，風扇葉片採用與 GE90 發動機同樣的複合材料外，其風扇機匣

也採用了纖維增強樹脂基複合材料，這是將複合材料首次用於民用航空發動機風扇機匣上。GEnx發動機風扇機匣採用 7。62 m m 厚的 3 維織物以 ±60° 方式編織，並在邊角及彎曲處與 2 維織物混編在一起。編織採用自動化工藝，織物繞 1 個風扇機匣形狀的模具編織成平面狀，如下圖所示。在中部編織厚層作為風扇葉片的包容層。織物一經織成，便從機匣外引入樹脂固化成型。其中 GEnx-1B70 發動機的風扇尺寸為 2。82 m ，可減質 160 kg。GE 公司試驗表明複合材料風扇機匣抗外物打傷能力優於鋁機匣的，而且全複合材料的包容環還是 1 種具有回彈力、高韌性的結構，同時單一材料的應用還可減少電偶腐蝕的發生，進一步提高發動機的耐久性。

G Enx-1B 發動機的風扇機匣

V2500 發動機的短艙進氣道採用帶有共固化加強肋的碳纖維增強環氧樹脂外蒙皮和碳纖維增強環氧樹脂蜂窩夾層結構，風扇整流艙門採用整體碳纖維複合材料包覆經防腐蝕處理的鋁蜂窩夾芯結構，反推裝置格柵採用碳纖維增強複合材料模壓成型製造，反推移動罩上採用碳纖維護板。PW 4168 和 Trent700 發動機也採用碳纖維增強環氧樹脂製造反推力裝置，此外，GE90 發動機的發動機短艙也採用了碳纖維增強複合材料短艙製造技術。

PW 公司採用碳纖維增強複合材料製造的風扇出口導流葉片。風扇機匣上的 44 片導流葉片採用 4 片 1 組成型，再由空心的內外環將 11 組葉片連成一體，形成靜子元件。PW 4084 和 PW 4168 發動機採用這一方式製造的風扇靜子元件，較鈦合金的質量減輕了 39% ，成本降低了 38%。

芳綸纖維增強複合材料

芳綸纖維是芳香族有機纖維的總稱，其由芳香族基團代替脂肪族基團連線醯胺基經縮聚而成。由於芳香基代替脂肪基，分子鏈的柔性減小而剛性增強，反映在纖維效能方面，其耐熱性和初始模量都顯著增大。芳綸纖維具有低密度、高拉伸強度和拉伸剛度、低壓縮效能（非線性）和優良的韌性特性。

從 20 世紀 70 年代開始，芳綸纖維就成為航空領域的結構材料，在民用航空渦扇發動機上大量用於需要高韌性和能量吸收效能好的風扇機匣的包容環。歐美國家現役的民用航空發動機的包容環結構基本相似，即在金屬機匣殼體的內側或外側用芳綸纖維增強複合材料作為包容層。以 GE90 發動機為例，先在薄鋁合金殼體外表面銑出格柵，再在外側纏繞 65 層芳綸纖維織成的編織帶，並覆以環氧樹脂製成複合材料包容環。由鋁合金殼體保證機匣的圓度，利用強度高、韌性好的芳綸纖維增強環氧樹脂複合材料提高對葉片斷片的抗衝擊能力，在具有良好包容能力的同時，大大減輕了風扇機匣的質量，其質量比金屬包容環減輕近 50%。芳綸纖維纏裹層是包容環的核心，當風扇葉片的斷片甩出並打到該層時，由於芳綸纖維具有高的抗拉伸效能，纏裹層會因受到拉伸向外鼓出，但不易拉斷，吸收斷片的撞擊能量，從而將斷片包容住。這種結構不僅包容能力強，而且質量輕，因而得到廣泛應用。RR 公司的 BR710、RB211-535E4、RB211-524G/H 、Trent700、Trent800 發動機，PW 公司的 PW 4084 發動機和 GE 公司的CF34、CF-80C2、GE90、GP7200 發動機均採用該設計方法。

G E90、G P7200、C F34、BR 710 發動機使用的包容環

芳綸纖維還具有抗顫振和抗聲疲勞的特點，在民用航空發動機上還用於風扇機匣內側的消聲結構。芳綸纖維增強複合材料的比模量高，故自振頻率也高，能

夠更好地避免構件在工作時產生共振。而纖維與基體介面還具有吸收振動能量的作用，所以芳綸纖維增強複合材料具有很好的減振效能。在 CFM 56 系列和 GE90 等發動機上廣泛使用芳綸纖維增強複合材料製造具有消聲降噪功能的複合材料消聲板。

複合材料消聲板

碳化矽纖維增強複合材料

碳化矽纖維是一種陶瓷纖維，能在 980 ℃以上的高溫下保持良好的強度。其拉伸強度可達 2。7 GPa，模量可達 192 GPa，模量比碳纖維的低，但高於玻璃纖維的。碳化矽纖維具有以下特點：（1）耐熱效能好，耐熱溫度可達 1200 ℃；（2）耐腐蝕 /化學穩定性好；（3）對熱塑性基體的相容性好；（4）對金屬基體的浸潤性好；（5）具有優異的浸潤性和抗氧化性，可作為聚合物、陶瓷、金屬（鋁、鈦、鎂等）甚至碳的增強材料。GE 公司在經過 25 年對陶瓷基複合材料的研製開發，並在軍機的靜子零件和旋轉部件上開展了大量的驗證試驗後，決定在新一代民用航空發動機 Leap-x 的高壓渦輪導向器上使用碳化矽纖維增強複合材料。由於碳化矽纖維增強複合材料比高溫合金更耐熱，可以取消氣膜孔冷卻系統，因而在減輕自身總質量的同時，也降低冷卻氣流的使用量，提高了發動機效能。Snecm a（SAFRAN GROUP）公司在 LEAP-X發動機上也使用了碳化矽纖維增強複合材料製造的低壓渦輪工作葉片。GE 公司計劃在未來的民用航空發動機上用碳化矽纖維增強複合材料製造燃燒室和渦輪導向器緣板。

玻璃纖維增強複合材料

玻璃纖維增強複合材料具有成本低、質量輕、強度高和無機非金屬材料的特性，成為較早用於航空發動機上的複合材料之一，廣泛用於不承擔大載荷或工作應力較小的發動機零部件上。如因其比金屬更易於製造具有錐形結構的帽罩前錐，因此在 RB211 系列、Trent800、PW 4084 和 CFM 56-3 發動機帽罩前錐得到應用；CFM 56 系列發動機的油氣封嚴裝置、RB211 發動機接線盒和加強筋也採用玻璃纖維增強複合材料。但因其剛度較小，限制了在發動機主要結構件上的應用。

RR公司的玻璃纖維增強複合材料風扇帽罩（左）和CFMI公司的玻璃纖維增強複合材料油氣封嚴裝置（右）