碳纤维复合材料在航空发动机上的应用
【摘要】随着中国大飞机项目不断取得革命性突破，未来中国的各类航空发动机的需求量将出现跳跃式增长。
碳纤维复合材料具有轻量化、高强度、高模量、低膨胀系数、高导热系数的优点，并且随着碳纤维复合材料比强度、比模量、以及韧性的提升，在飞机发动机上的应用也得到越来越大的关注，并逐步替代传统的金属材料制备部分发动机零部件。
下载论文网 /3/view—13030521.htm 【关键词】碳纤维；复合材料；航空；发动机上；应用 自1860年，斯旺制作出碳丝灯泡以来，人类就在尝试利用碳纤维来改进各种设备，到了20世纪50年代，随着美苏激烈的太空角逐，美国空军需要更耐烧蚀的材料来制备航天飞机，碳纤维的名称正式出现，并于1959年，由美国联合碳化物公司研制成功了世界上最早上市的黏胶基碳纤维。
自此人类开始了对碳纤维的进一步开发。
一、碳纤维复合材料性能优势 碳纤维增强复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能、热烧蚀性能、可设计性和耐冲击性等几个方面。
（一）具有很高的强度和弹性模量（刚性） 它的比重一般为1.70—1.80g/cm3是钢的1/4，抗拉强度为1200—7000MPa是钢的7～9倍，在能够承受高温的结构中，是最轻的材料；高温的强度好，在2200℃时可保留室温强度，；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，弹性模量为200—400GPa。
纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力—应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。
自1980中期以来，碳纤维性能已经大幅度提高，抗拉强度提高到7.0gpa，并且有了优良的表面处理剂和树脂基体的配合，强度转化率提高到80～95，碳纤维的应用使壳体强度和刚度大为改观。
（二）热膨胀系数小，比热容高 能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。
（三）耐热烧蚀性能好 热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象，通过表层材料的烧蚀带走大量的热量，可阻止热流入材料内部。
（四）碳纤维复合材料的可设计性非常强 可以根据不同的用途要求，灵活地进行产品设计。
根据产品结构受力情况，通过调整纤维的结构及排列方式制成各向异性、厚度不同的产品，并且可以应用夹层结构，提高部件整体刚性，以达到最佳轻量化设计方案。
将碳纤维按照受力方向进行排布，可充分发利用碳纤维复合材料的各向异性从而达到节约成本，并减轻重量的目的。
而金属材料由于其各向同性，会出现在满足最大受力方向的技术要求之后，另一方向就会存在强度过剩的问题。
对于有耐腐蚀性能要求的产品，设计时可选用耐腐蚀性能好的基?w树脂和增强材料，而对于其他一些性能要求，如介电性能、耐热性能等，都可通过选择合适的原材料来满足。
（五）耐冲击性碳纤维复合材料的耐冲击性良好 以聚合物为基体的碳纤维复合材料具有一定的粘弹性力学性能，可以吸收一定的冲击能量。
由于粘弹性和界面摩擦力的作用，使得振动衰减系数大，因此在车辆受冲击时能够吸收大量的冲击能量，有利于提高人身安全。
二、发动机成型工艺 目前国内碳纤维复合材料生产工艺较为普遍与成熟的主要有树脂传递模压工艺、注射等工艺。
（一）树脂传递模压工艺（RTM） 树脂传递模压工艺（RTM）是于90年代新兴的成型工艺，现将增强材料做成预成形件放入封闭模具中，在真空和压力的条件下，树脂被注入模具中固化成型，其特点是： （1）工艺过程简单，避免了预浸料这一中间环节； （2）低压注胶，可节省附加设备，降低费用； （3）封闭模具操作，作业环境清洁； （4）易于实现自动化和计算机控制； （5）产品表面质量好。
（二）注射成型工艺 结合使用其它加工方法，还可以进一步减轻部件重量。
市场上最普遍的两种技术是水辅和气辅注射成型技术。
用发泡剂发泡聚合物熔体可以进一步减轻6%～13%的重量，确切的数据取决于所采用的方法。
20%碳纤维增强（聚酰胺+聚丙烯）共混物中加入了3.5%的化学发泡剂，应用于拉杆的模具中。
尽管重量大幅减轻，然而弯曲强度并没有降低，与40%玻璃纤维增强的尼龙6相比具有大致相同的弯曲刚度，但玻纤填充产品重量约高出50%。
因此对弯曲应力有要求的部件最宜选择发泡。
三、碳纤维的应用 截止2017年，航空航天对碳纤维的需求增长了90%，达到11.3万吨，预计到2020年，仅航空航天领域对碳纤维的需求将达到2万吨。
碳纤维成为航空航天多部件的主要材料，广泛应用于发动机、反推力装置、APU仓等部位。
据相关数据表明，在小型直升飞机以及小型商务飞机中，碳纤维材料占飞机材料比重的45%左右，运用飞机碳纤维材料占比达到35%左右。
在民用航天中，空客在A380大型飞机中所使用的碳纤维材料占据整个飞机比重的20%左右。
在降低了重量的同时，提升了航空器的续航能力。
而在具体的航空发动机领域，碳纤维主要运用在发动机仓、发动机壳体、发动机风扇罩、发动机风扇叶片以及推进器的部分结构等设备上。
这些设备需要满足轻量化、耐高低温、机械振动与冲击、耐盐雾腐蚀、砂尘、耐温度冲击、淋雨、湿热、霉菌、加速度、积冰冻雨、低压，并且在燃油、滑油浸润的环境中需要长期保持原有的性能。
四、结语 碳纤维以其优异的性能被世界各个国家所重视，相关研究结果表明，碳纤维的强度、模量以及密度等方面，相对金属材料，其优势十分巨大。
参考文献： [1]李建利，张新元，张元，王海涛，赵领航.碳纤维的发展现状及开发应用[J].成都纺织高等专科学校学报，2016（2）. [2]赵碎彬，鲁盈.碳纤维的发展及其应用现状[J].求知导刊，2016（1）.