高推重比、低耗、低污染物排放是航空發(fā)動機(jī)未來發(fā)展的重要方向。研發(fā)高性能材料替代傳統(tǒng)金屬材料，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重是推動航空發(fā)動機(jī)進(jìn)步的關(guān)鍵途徑。樹脂基復(fù)合材料具有質(zhì)輕高強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性好、抗疲勞性能好、阻尼減振性能優(yōu)異、易于一體化整體成型的優(yōu)點(diǎn)，已成為飛機(jī)發(fā)動機(jī)冷端部件理想的結(jié)構(gòu)材料，其用量多少也是評價航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。隨著復(fù)合材料設(shè)計(jì)水平提升、原材料性能提高、制造工藝進(jìn)步、可靠性驗(yàn)證方法完善，樹脂基復(fù)合材料在民用渦扇發(fā)動機(jī)上應(yīng)用走過了一條由少到多、由次承力到主承力、由局部到整體的發(fā)展道路。目前樹脂基復(fù)合材料在國外多型渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇機(jī)匣等重要部件上實(shí)現(xiàn)了較為成熟的應(yīng)用。借鑒國外航空發(fā)動機(jī)樹脂基復(fù)合材料的研發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，立足自我創(chuàng)新，加快推進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在我國民用航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用，既帶來了機(jī)遇也提出了巨大的挑戰(zhàn)。
一、樹脂基復(fù)合材料在國外民用航空發(fā)動機(jī)的應(yīng)用狀況
近些年美國通用電氣公司、美國普拉特·惠特尼公司、英國羅爾斯·羅伊斯公司等在樹脂基復(fù)合材料發(fā)動機(jī)部件應(yīng)用方面取得了較大進(jìn)展。以普·惠公司為例，1970年首先在JT9D發(fā)動機(jī)上使用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制備了風(fēng)扇整流錐。為了進(jìn)一步減重，1981年采用芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制備了JT9D-TR4發(fā)動機(jī)整流錐。之后樹脂基復(fù)合材料被大量應(yīng)用于普·惠發(fā)動機(jī)上，如PW4084發(fā)動機(jī)樹脂傳遞模塑工藝制備的碳纖維/環(huán)氧樹脂風(fēng)扇葉片墊塊、PW4168發(fā)動機(jī)雙馬樹脂復(fù)合材料整流罩和碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料反推力裝置等短艙部件。圖1列出了目前國外民用渦扇發(fā)動機(jī)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用部位、材料體系及制備工藝。圖中1~12依次為渦扇發(fā)動機(jī)電控單元匣、進(jìn)氣道消聲襯板、風(fēng)扇葉片、進(jìn)氣整流錐、進(jìn)氣整流罩、發(fā)動機(jī)檢視門、反推力裝置、壓氣機(jī)整流罩、外涵道、出口導(dǎo)流葉片、風(fēng)扇機(jī)匣、發(fā)動機(jī)短艙等部件。以下將對國外民用航空發(fā)動機(jī)典型樹脂基復(fù)合材料部件應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行詳細(xì)分析。
1.1 風(fēng) 扇 葉 片
20世紀(jì)70年代，羅·羅公司最早嘗試將碳纖維樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用于RB211發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片。但由于所使用復(fù)合材料基體韌性較低，最終未能通過風(fēng)扇葉片鳥撞測試，導(dǎo)致該型發(fā)動機(jī)沿用了傳統(tǒng)鈦合金風(fēng)扇葉片。
隨著低質(zhì)量、高進(jìn)氣效率、大涵道比航空發(fā)動機(jī)的研發(fā)及樹脂基復(fù)合材料性能的提高，20世紀(jì)90年代通用電氣公司選取美國赫氏公司HexPly 8551-7韌性環(huán)氧樹脂為基體，IM7碳纖維為增強(qiáng)纖維，采用單向預(yù)浸料模壓工藝制備GE90發(fā)動機(jī)進(jìn)氣風(fēng)扇葉片。葉片表面涂覆聚氨酯防腐涂層提高葉片抗腐蝕性能。葉片前緣使用美國3M公司AF191膠黏劑粘接鈦合金薄片增強(qiáng)葉片抗沖擊性能。葉片根部具有自潤滑特氟龍耐磨層(圖2(a))。此后通用電氣公司GEnx和GE9X型發(fā)動機(jī)均采用樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。
在適用于單通道客機(jī)的中小推力發(fā)動機(jī)方面，傳統(tǒng)CFM56系列發(fā)動機(jī)采用鈦合金風(fēng)扇葉片及合金鋼金屬機(jī)匣。為進(jìn)一步減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量，降低燃油消耗，美國通用電氣和法國賽風(fēng)集團(tuán)旗下斯奈克瑪公司合資成立的CFM國際公司開發(fā)了LEAP系列發(fā)動機(jī)。LEAP系列發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片采用3D整體編織技術(shù)制備了具有三維交織結(jié)構(gòu)且近似零尺寸誤差的纖維預(yù)成型體(圖2(b))。通過樹脂傳遞模塑工藝灌注樹脂實(shí)現(xiàn)纖維浸潤和樹脂固化(圖3)。其中纖維三維編織結(jié)構(gòu)可有效提高葉片抗沖擊性能。
2020年1月上旬，羅·羅公司在英國布里斯托開始了名為“超級風(fēng)扇”的發(fā)動機(jī)原型機(jī)制造。該發(fā)動機(jī)采用全樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和機(jī)匣。風(fēng)扇葉片由碳纖維/韌性樹脂預(yù)浸料鋪貼固化而成。葉片前緣采用與GE90風(fēng)扇葉片相似的鈦合金包邊，起抗腐蝕和異物沖擊作用。羅·羅公司預(yù)計(jì)該型發(fā)動機(jī)裝機(jī)服役后，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)整體減重700kg，相比第一代遄達(dá)系列發(fā)動機(jī)更為省油，降低至少25%的二氧化碳排放。
1.2 風(fēng) 扇 機(jī) 匣
發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中葉片因遭受撞擊或疲勞斷裂時，風(fēng)扇機(jī)匣對脫落葉片起包容作用，避免其對飛機(jī)其他部分造成損害。因而風(fēng)扇機(jī)匣是維系飛機(jī)服役安全可靠的重要部件。
早期渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片多為鈦合金材質(zhì)，一旦脫落對風(fēng)扇機(jī)匣的沖擊能量較大。風(fēng)扇機(jī)匣多采用鋁合金、鈦合金或高強(qiáng)度合金鋼制造，以增加結(jié)構(gòu)厚度提高包容效果，稱為硬包容。之后研發(fā)出以環(huán)形金屬機(jī)匣殼體為內(nèi)襯，外部依次纏繞若干圈芳綸纖維編織條帶為保護(hù)層的復(fù)合結(jié)構(gòu)機(jī)匣，依靠芳綸纖維層易于發(fā)生大變形吸能的特點(diǎn)捕獲碎片，故而稱為軟包容。
由于發(fā)動機(jī)風(fēng)扇涵道比日趨增大，風(fēng)扇部分在發(fā)動機(jī)總重中占比變大，高性能輕量化的要求越發(fā)迫切。伴隨著GE90系列發(fā)動機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的成熟使用，在后續(xù)GEnx型發(fā)動機(jī)上GE公司研發(fā)了全復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣。該機(jī)匣采用自動化二維三軸編織技術(shù)將日本東麗公司TORAYC T700碳纖維按0°及±60°三個方向編織成厚度為7.62mm纖維預(yù)成型體。利用樹脂傳遞模塑工藝灌注CYCOM PR520環(huán)氧樹脂比利時索爾維集團(tuán)旗下氰特公司產(chǎn)品固化成型。法國賽風(fēng)集團(tuán)旗下斯奈克瑪公司也采用了增強(qiáng)纖維3D編織技術(shù)及樹脂傳遞模塑工藝制備了LEAP系列發(fā)動機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣。
1.3 聲 襯
進(jìn)氣風(fēng)扇噪聲已成為現(xiàn)代大涵道比航空發(fā)動機(jī)噪聲的主要來源。在進(jìn)氣道內(nèi)鋪設(shè)聲襯是航空發(fā)動機(jī)消聲降噪的重要方式之一。聲襯所具有的穿孔板蜂窩結(jié)構(gòu)可視為數(shù)個并聯(lián)的亥姆霍茲共振結(jié)構(gòu)。當(dāng)其共振頻率與噪聲頻率匹配時起到消聲效果。傳統(tǒng)單自由度聲襯噪聲吸收頻帶較窄，多自由度聲襯雖能拓寬吸聲頻帶，但也存在加工工藝復(fù)雜、尺寸較大、結(jié)構(gòu)增重較多的問題。
基于以上問題，赫氏公司開發(fā)了商品名為Acousti-Cap的隔帽內(nèi)嵌式蜂窩，如圖4所示。由表面穿孔柔性材料(如聚醚醚酮，PEEK)折疊成隔帽形狀嵌入蜂窩腔中膠粘定位，從而起到雙自由度聲襯中聲學(xué)隔膜的作用。蜂窩聲阻抗特性可以由以下幾個因素調(diào)節(jié)：(a)蜂窩腔中隔帽數(shù)量；(b)蜂窩腔中隔帽位置；(c)不同種類聲阻抗特性隔帽。相比傳統(tǒng)多自由度聲襯，采用該種蜂窩制備聲襯厚度較薄、所需安裝空間小、聲襯整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高。目前此蜂窩已用于通用電氣、羅·羅、CFM國際等公司生產(chǎn)的多型航空發(fā)動機(jī)，不僅減輕了質(zhì)量而且實(shí)現(xiàn)了多達(dá)30%的噪聲衰減。
1.4 襯 套
傳統(tǒng)樹脂基復(fù)合材料基體耐溫性能較低，通常應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)冷端結(jié)構(gòu)及外部覆蓋件。以聚酰亞胺樹脂為代表的耐高溫樹脂基體研發(fā)使樹脂基復(fù)合材料用于航空發(fā)動機(jī)近熱端部件成為可能。聚酰亞胺襯套是樹脂基復(fù)合材料在壓氣機(jī)等耐溫要求較高部位的典型應(yīng)用之一。襯套用聚酰亞胺復(fù)合材料不僅滿足長期工作溫度280℃左右，短時經(jīng)受400℃以上的耐溫要求，同時具有良好的熱尺寸穩(wěn)定性、自潤滑性、低摩擦系數(shù)、優(yōu)異的耐磨損性能和力學(xué)性能。美國杜邦公司(USA，DuPont Company)開發(fā)了Vespel系列聚酰亞胺復(fù)合材料，其中包括石墨填充聚酰亞胺復(fù)合材料(如Vespel SP-21，SP-22等)及碳纖維織物增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料(如Vespel CP- 8000，CP-0664等)。該系列聚酰亞胺復(fù)合材料已應(yīng)用于羅·羅公司BR710型、普·惠公司PW6000系列等多型航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片襯套。
二、樹脂基復(fù)合材料在民用航空發(fā)動機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢
2.1 有利于航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化
現(xiàn)代渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片運(yùn)轉(zhuǎn)時可能承受約100t離心載荷。離心載荷隨風(fēng)扇直徑、旋轉(zhuǎn)速度和葉片質(zhì)量的增加而增大。使用樹脂基復(fù)合材料降低風(fēng)扇葉片質(zhì)量可以增加風(fēng)扇葉片尺寸及轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)裕度?；趶?fù)合材料優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片具有S形后掠寬弦的高效氣動外形，因而使用較少的葉片數(shù)量仍有較高的進(jìn)氣效率。同時相比鈦合金中空結(jié)構(gòu)風(fēng)扇葉片，可實(shí)現(xiàn)10%~15%的減重。
隨著復(fù)合材料風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)水平的進(jìn)步和材料性能的提升，經(jīng)過GE90，GEnx，GE9X數(shù)個代次發(fā)展，GE公司發(fā)動機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片呈現(xiàn)數(shù)目降低、厚度變薄、性能更強(qiáng)的趨勢。GE90，GEnx，GE9X三型發(fā)動機(jī)分別有22，18，16片復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。其中最新型GE9X發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片采用剛度更高的碳纖維作為增強(qiáng)體，可使風(fēng)扇葉片長度更長、厚度更薄，進(jìn)氣效率更高。此外該葉片使用抗沖擊性能更為優(yōu)異的合金鋼替代了GE90、GEnx發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片的鈦合金前緣包邊，后緣為特殊結(jié)構(gòu)的玻璃纖維復(fù)合材料，通過葉片前后緣局部加強(qiáng)措施風(fēng)扇葉片抗沖擊性能進(jìn)一步提升，可使葉片整體厚度更薄。因此盡管GE9X風(fēng)扇直徑達(dá)3.4m，但發(fā)動機(jī)風(fēng)扇更輕、轉(zhuǎn)速更快、氣動效率更高，綜合性能更為優(yōu)異。復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的應(yīng)用促使碳纖維織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料包容機(jī)匣的產(chǎn)生。全復(fù)合材料包容機(jī)匣不僅質(zhì)量輕，而且兼具較高的結(jié)構(gòu)剛度和較好的彈性變形，可實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料葉片的良好包容。
材料和結(jié)構(gòu)同時成型是樹脂基復(fù)合材料區(qū)別于金屬材料的特點(diǎn)之一。這為航空發(fā)動機(jī)大型復(fù)雜部件的整體化設(shè)計(jì)、一體化制造提供了可能。美國奈賽公司摒棄了傳統(tǒng)的分離式子系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，在中國商飛公司C919大型客機(jī)裝備的LEAP-1C發(fā)動機(jī)上開發(fā)了集成式推進(jìn)系統(tǒng)。其中包括一體式復(fù)合材料進(jìn)氣整流罩和整體復(fù)合材料“O型”滑動反推裝置(圖5)。此外變傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道拼接式聲襯為環(huán)形無拼接式聲襯也是復(fù)合材料整體成型工藝應(yīng)用的典型案例。
2.2 有利于提高航空發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性
減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量是航空發(fā)動機(jī)提高燃油效率和推重比的重要途徑。樹脂基復(fù)合材料質(zhì)輕高強(qiáng)，應(yīng)用于風(fēng)扇葉片、包容機(jī)匣等部件有效降低了發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量。例如CFM56-7B發(fā)動機(jī)24片鈦合金風(fēng)扇葉片總質(zhì)量118kg，而LEAP系列發(fā)動機(jī)18片復(fù)合材料風(fēng)扇葉片總質(zhì)量僅76kg。相比同尺寸金屬材質(zhì)葉片和機(jī)匣，使用樹脂基復(fù)合材料制備可實(shí)現(xiàn)整體減重455kg。
采用復(fù)合材料共固化、共膠接等整體成型技術(shù)制備大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，一方面可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升發(fā)動機(jī)性能，另一方面可減少子部件數(shù)目，降低因部件裝配連接引起結(jié)構(gòu)增重及性能損失。與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)多塊式拼接鋁合金唇口及進(jìn)氣道相比，LEAP-1C發(fā)動機(jī)一體式無縫復(fù)合材料進(jìn)氣整流罩，可避免流場不連續(xù)性造成的進(jìn)氣效率降低。整體化復(fù)合材料“O型”滑動反推裝置替代典型兩片式“D型”門設(shè)計(jì)，不僅提高了反推效率，而且實(shí)現(xiàn)了原有笨重液壓驅(qū)動系統(tǒng)到先進(jìn)電控驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，解決了“D型”門聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)需持續(xù)性維護(hù)的問題?？偟膩砜?，集成式推進(jìn)系統(tǒng)增強(qiáng)了發(fā)動機(jī)的空氣動力學(xué)性能，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化整合減少發(fā)動機(jī)質(zhì)量、降低燃油消耗、可靠性更高、更易于維護(hù)，這些都將有效提高發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，降低飛機(jī)運(yùn)營成本。
從制造及檢測的機(jī)械化自動化角度看，現(xiàn)階段機(jī)械自動化預(yù)浸料裁剪、激光定位鋪覆及纖維三維預(yù)成型體編織技術(shù)已得到較為成熟的應(yīng)用。近期在羅·羅公司“超級風(fēng)扇”發(fā)動機(jī)原型機(jī)制造計(jì)劃中，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和機(jī)匣分別采用了自動鋪絲(圖6(a))及自動鋪帶工藝(圖6(b))制造。而三維激光測量技術(shù)(圖6(c))和水下超聲探傷技術(shù)(圖6(d))也應(yīng)用于風(fēng)扇葉片葉形、尺寸測量和內(nèi)部缺陷探測等檢驗(yàn)過程中。機(jī)械自動化水平的提高，不僅提升了工作效率，保證了復(fù)合材料部件制造檢測過程的標(biāo)準(zhǔn)化、準(zhǔn)確化，同時降低了廢品率和人工費(fèi)用，有利于縮減航空發(fā)動機(jī)制造成本。
復(fù)合材料優(yōu)異的抗疲勞耐久性能可顯著降低服役過程中部件的修理維護(hù)成本。數(shù)據(jù)顯示已裝機(jī)使用的GE90復(fù)合材料風(fēng)扇葉片在總計(jì)750萬個飛行小時里無須專門檢查和現(xiàn)場特別維護(hù)。盡管在服役期間經(jīng)歷了多達(dá)100次的鳥撞沖擊，但僅有三片復(fù)合材料葉片需徹底更換，顯示出良好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。此外復(fù)合材料風(fēng)扇葉片葉根處具有自潤滑特氟龍耐磨層，當(dāng)葉片裝入燕尾槽后無需加入潤滑劑，免去了定期潤滑維護(hù)成本。
2.3 有利于提高航空發(fā)動機(jī)環(huán)保性
在當(dāng)今世界環(huán)保要求日益提高的要求下，航空發(fā)動機(jī)尾氣排放及噪聲級別已成為各航空發(fā)動機(jī)制造商關(guān)注的重點(diǎn)。樹脂基復(fù)合材料可有效減輕發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、減少燃油消耗、降低航空發(fā)動機(jī)尾氣排放量，有利于提高其環(huán)保性。相比CFM56系列發(fā)動機(jī)，應(yīng)用大量復(fù)合材料部件的LEAP系列發(fā)動機(jī)燃油消耗及二氧化碳排放量減少了15%，氮氧化物排放量減少了60%。
發(fā)動機(jī)噪聲是飛機(jī)噪聲的主要來源。隨著渦扇發(fā)動機(jī)涵道比增大，進(jìn)氣風(fēng)扇噪聲在發(fā)動機(jī)噪聲中占比逐漸增加。傳統(tǒng)進(jìn)氣道消聲板為拼接分片式設(shè)計(jì)，拼接造成進(jìn)氣道壁面聲阻抗不連續(xù)，削弱了消聲效果。如圖7所示，歐洲空中客車公司早期A320飛機(jī)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道聲襯拼縫為3片15cm，之后A340 600飛機(jī)發(fā)動機(jī)為2片7.5cm寬。采用樹脂基復(fù)合材料整體成型工藝后，A380飛機(jī)發(fā)動機(jī)為環(huán)形無拼接聲襯。
國際民用航空組織于1972年首次在國際民用航空公約附件16第二章對飛行器噪聲控制提出要求，稱之為第二章噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)。在1977年實(shí)施第三章噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)中對不同起飛質(zhì)量飛行器飛越、橫側(cè)、進(jìn)近及上述三者累積噪聲均提出了要求。之后ICAO分別提出了要求更為嚴(yán)格的第四章和第十四章噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)，其累積噪聲比第三章噪聲分別低了10dB和17dB。而美國聯(lián)邦航空管理局依據(jù)ICAO各章噪聲標(biāo)準(zhǔn)分別定義了第二、三、四、五階段噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)(Stage2/3/4/5)(如圖8所示)。
受益于復(fù)合材料進(jìn)氣道無拼接聲襯及進(jìn)氣風(fēng)扇葉片高效率低噪聲設(shè)計(jì)，GE9X發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲低于第五階段噪聲要求且有8dB裕量。此外歐洲航空安全局對安裝LEAP-1A發(fā)動機(jī)的空客A321neo飛機(jī)開展了飛行噪聲測試。數(shù)據(jù)顯示A321neo飛機(jī)飛越、橫側(cè)及進(jìn)近噪聲分別為83.3，88.3dB和94.7dB，均低于裝配CFM56發(fā)動機(jī)的空客A321飛機(jī)，滿足第四階段噪聲控制要求。
三、樹脂基復(fù)合材料民用航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用的新趨勢
3.1 微納材料混雜技術(shù)
航空發(fā)動機(jī)短艙、風(fēng)扇葉片等在檢修維護(hù)及服役過程中易受到不同速度的異物沖擊而產(chǎn)生內(nèi)部層間分層乃至貫穿性失效破壞。目前通常采用纖維增強(qiáng)體3D編織或縫合技術(shù)，在復(fù)合材料厚度方向引入編織或縫合纖維提高復(fù)合材料層間斷裂韌性和抗沖擊性能。然而3D纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)較高的制造成本，加工過程中纖維損傷引起面內(nèi)性能下降也是制約其廣泛應(yīng)用的重要問題。相比于傳統(tǒng)金屬材料，復(fù)合材料導(dǎo)電性較弱，發(fā)動機(jī)部件在經(jīng)受閃電沖擊時易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞危及飛行安全?；谝陨蟽牲c(diǎn)，通過多尺度微納顆?；祀s技術(shù)提高樹脂基復(fù)合材料層間斷裂韌性及導(dǎo)電性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化部件研發(fā)應(yīng)用引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。
目前使用較多的納米填料有碳納米管(CNT)、石墨烯、氧化石墨、炭黑、納米纖維等。Bhanuprakash等在環(huán)氧樹脂基體中加入改性氧化石墨納米填料后，玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料Ⅰ，Ⅱ型層間斷裂韌性均有大幅度提高。這與該填料加入碳纖維織物環(huán)氧復(fù)合材料所得結(jié)論一致。Srivastava等將3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)CNT、石墨烯和炭黑顆粒分別加入碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中，結(jié)果顯示加入石墨烯和CNT的試樣分別在Ⅰ，Ⅱ型層間斷裂韌性有最大值。盡管將納米填料直接混入樹脂基體的方法簡單方便，但納米填料添加量較高時樹脂黏度增大，造成工藝實(shí)施困難，納米填料團(tuán)聚引起樹脂浸漬不良易在制件內(nèi)部產(chǎn)生缺陷。因此研究者通過在層間引入納米纖維布或具有高納米填料含量的樹脂膜或粉等方式改善復(fù)合材料層間斷裂韌性。Shin等將最高9%CNT混入樹脂，以含納米管樹脂膜的形式引入單向和織物碳纖維層板中。結(jié)果表明兩種層板的Ⅱ型層間斷裂韌性均先上升后下降，在CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時有最大值。作者認(rèn)為CNT橋連效應(yīng)對裂紋擴(kuò)展起阻滯作用，提高了Ⅱ型層間斷裂韌性。Abidin等通過在碳纖維復(fù)合材料鋪層間添加含碳納米管的樹脂粉末，復(fù)合材料Ⅰ型層間斷裂韌性有較大幅度改善。Ou等在碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面間插入低密度碳納米管紗，其Ⅰ型層間斷裂韌性提高了60%。
此外，聚砜、聚苯乙烯、尼龍66、聚丙烯腈、聚乙烯醇縮丁醛、聚氨酯等聚合物材料可通過靜電紡絲制備成納米纖維布插入復(fù)合材料層間改善纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料Ⅰ，Ⅱ型層間斷裂韌性。研究發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯納米纖維布不僅能提高復(fù)合材料層板層間斷裂韌性同時對層板面內(nèi)性能也有增強(qiáng)作用。而層間引入尼龍66導(dǎo)致復(fù)合材料層板厚略有增加，拉伸強(qiáng)度稍有下降。聚砜納米纖維布在復(fù)合材料層板固化升溫后與環(huán)氧樹脂混溶，冷卻后以微球形式發(fā)生相分離，其與環(huán)氧樹脂基體粘接較弱導(dǎo)致復(fù)合材料層板彎曲強(qiáng)度和模量下降。為解決以上問題，采用聚砜/碳納米管、聚丙烯腈/氧化鋁、聚丙烯腈/碳納米管]等不同納米填料混合使用可避免單一納米纖維布對面內(nèi)性能的負(fù)面作用。Handschuh等在復(fù)合材料葉片前緣預(yù)浸料鋪層中插入熱塑性聚氨酯納米布以改善復(fù)合材料韌性提高葉片抗沖擊性能。結(jié)果表明經(jīng)增韌處理后，復(fù)合材料葉片未發(fā)生目視可見的分層等表觀破壞，而未經(jīng)增韌處理的葉片分層及斷裂破壞嚴(yán)重。
采用導(dǎo)電率較好的納米填料“生長”或覆蓋于纖維表面不僅能夠提高復(fù)合材料層間斷裂韌性，同時可有效改善復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性能。Bhanuprakash等將氧化石墨烯及改性氧化石墨烯分別覆蓋于碳纖維表面，其制備的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料Ⅰ型層間斷裂韌性及導(dǎo)電性均有不同程度提高。Pozegic等研究表明通過在碳纖維表面生長CNT，碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在面內(nèi)方向?qū)щ娐侍岣吡?30%。因?qū)娱g厚度方向上形成了導(dǎo)電滲流通道，厚度方向?qū)щ娐侍岣吒鼮槊黠@(達(dá)550%)，這與文獻(xiàn)中復(fù)合材料厚度方向?qū)щ娦阅茱@著提升的結(jié)果一致。Duongthipthewa等在生長有碳納米管的碳纖維表面施加石墨烯后，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料面內(nèi)和厚度方向?qū)щ娐史謩e提高了300%和190%，沖擊性能提高了71%。針對不同樹脂基體，Russello等采用表面生長有碳納米管的碳纖維織物分別制備了熱固性環(huán)氧樹脂和熱塑性聚丙烯樹脂薄層復(fù)合材料，結(jié)果顯示后者導(dǎo)電性能提高幅度更大。
3.2 3D打印技術(shù)
3D打印，又稱增材制造，是目前材料制造工藝發(fā)展的熱點(diǎn)方向之一。傳統(tǒng)制造方法通過車銑刨磨等“減法”工藝過程實(shí)現(xiàn)由原材料坯體到部件的制備。3D打印則采用逐層累積的“加法”工藝過程自下而上制造出部件。依照增材制材料狀態(tài)及成型方式可分為光固化立體成形、熔融沉積成型、激光選區(qū)燒結(jié)、分層實(shí)體制造等。相比較傳統(tǒng)制造工藝，增材制造可實(shí)現(xiàn)小批量定制化復(fù)雜部件的快速精確成形、減少原材料浪費(fèi)、節(jié)約模具和人工成本、簡化制造工序縮短制造周期。
目前3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用呈逐年上升趨勢。3D打印技術(shù)制備的航空發(fā)動機(jī)部件主要有燃油噴嘴、渦輪葉片等金屬部件。近些年在3D打印樹脂及其復(fù)合材料方向也開展了初步的研究工作。美國國家航空航天局蘭利研究中心采用光固化立體成形技術(shù)制造了純樹脂材質(zhì)變厚度聲襯模型件，并使用掠流阻抗管驗(yàn)證了變厚度聲襯的消聲特性(圖9(a))。格倫研究中心選取Stratasys公司Ultem9085樹脂體系，采用熔融沉積法制備了聲襯和穿孔發(fā)動機(jī)檢視門(圖9(b)，(c))。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明該工藝制造的聲襯與傳統(tǒng)蜂窩芯/穿孔面板聲襯相比具有相似的吸聲性能。為提高制件力學(xué)性能該中心將10%短切AS4碳纖維加入Ultem1000樹脂體系，使用熔融沉積法制備了壓氣機(jī)入口導(dǎo)流葉片(圖9(d))。研究發(fā)現(xiàn)相比未添加短切碳纖維樹脂體系，添加后拉伸強(qiáng)度和模量分別提高了23%和38%，但制件孔隙率達(dá)25%，脆性較大。這是由于碳纖維填充Ultem1000樹脂體系后，在420℃時熔體黏度才能滿足工藝要求。高溫會使樹脂體系中低分子量水汽等揮發(fā)性組分及擠出過程中卷裹的氣體膨脹，從而導(dǎo)致出口導(dǎo)向葉片孔隙率較高。作者認(rèn)為通過控制Ultem1000樹脂體系分子量分布，使其在較低溫度下具有合適的工藝操作，黏度可在一定程度上降低制件孔隙率。
此外Impossible Objects公司所研發(fā)的碳纖維/聚醚醚酮樹脂體系可耐250℃高溫。其制件性能為傳統(tǒng)鋁合金的三分之二，但質(zhì)量僅為鋁合金的1/2，可用于航空機(jī)部件3D打印工藝。
3.3 超材料技術(shù)
超材料這一概念首先由電磁學(xué)領(lǐng)域?qū)W者所提出，其定義為周期性或非周期性人造微結(jié)構(gòu)單元排列而成的復(fù)合材料。這類材料可呈現(xiàn)天然材料所不具備的超常物理特性。近些年超材料在聲學(xué)領(lǐng)域研究得到了越來越多的重視，通過特殊細(xì)觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)噪聲捕獲和衰減，這為未來航空發(fā)動機(jī)聲襯設(shè)計(jì)提供了新的思路。
當(dāng)噪聲頻率較低時，穿孔板蜂窩式聲襯需增加結(jié)構(gòu)厚度滿足消聲需求，而航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部有限的聲襯安裝空間制約了傳統(tǒng)聲襯在航空發(fā)動機(jī)低頻噪聲消減方面的性能。超材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性有助于解決這一矛盾。Li等和Chen等分別設(shè)計(jì)了兩種空間螺旋結(jié)構(gòu)，配合微穿孔面板，可以有效降低結(jié)構(gòu)厚度，擴(kuò)大低頻噪聲吸收范圍(圖10(a)，(b))。Yang等通過彎曲、回折式聲腔形式實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)厚度、吸收頻域和低頻吸收能力三者之間的平衡(圖10(c))。Tang等通過在傳統(tǒng)蜂窩式聲襯結(jié)構(gòu)中引入斜向微孔隔板的超材料形式，滿足了隨機(jī)入射聲波寬頻高效吸收的要求(圖10(d))。Jiang等提出了由不同深度亥姆霍茲共振器與近似零折射率聲學(xué)超材料構(gòu)成的單向超表面概念。當(dāng)聲波進(jìn)入該結(jié)構(gòu)后即被“捕獲”，并在連續(xù)反射與吸收中達(dá)到能量彌散(圖10(e))。將單向超表面置于航空發(fā)動機(jī)聲襯與短艙內(nèi)表面之間，可以將噪聲在空間上限制于聲襯作用區(qū)域，進(jìn)而起到協(xié)同作用，促進(jìn)噪聲吸收。復(fù)雜且精細(xì)的結(jié)構(gòu)是超材料發(fā)揮其性能的關(guān)鍵因素，而傳統(tǒng)材料加工工藝難于加工制造。目前已有研究者采用3D打印凱夫拉纖維/熱塑性樹脂制備了與文獻(xiàn)相似的波紋芯夾層結(jié)構(gòu)。因此結(jié)合3D打印等新工藝技術(shù)及樹脂基復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，為新型超材料聲襯的研發(fā)應(yīng)用帶來了可能。
四、樹脂基復(fù)合材料在民用渦扇發(fā)動機(jī)應(yīng)用的啟示
4.1 先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是航空發(fā)動機(jī)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用的先導(dǎo)
復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)不僅給航空發(fā)動機(jī)復(fù)合材料部件設(shè)計(jì)帶來豐富選擇也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。以復(fù)合材料風(fēng)扇葉片為例，在設(shè)計(jì)過程中需考慮氣動性能以及服役過程中高轉(zhuǎn)速下異物沖擊、結(jié)構(gòu)疲勞等問題。因而基于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)、空氣動力學(xué)、失效分析等多學(xué)科交叉融合，形成制件內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)控制，整體外形尺寸精度把握、協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)與氣動性能的多角度綜合設(shè)計(jì)理念尤為重要。3D打印新工藝和超材料新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，給航空發(fā)動機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)提供了新的方向。應(yīng)充分發(fā)揮新工藝、新結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，拓展設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化復(fù)雜構(gòu)件設(shè)計(jì)思路。此外，在制件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，也應(yīng)注意遴選材料體系的技術(shù)成熟度及制件成型工藝的可達(dá)性、高效性。實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)-材料-制造”一體化統(tǒng)籌規(guī)劃，發(fā)揮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先導(dǎo)作用。
4.2 高性能原材料是航空發(fā)動機(jī)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用的基礎(chǔ)
先進(jìn)增強(qiáng)材料及樹脂體系的不斷進(jìn)步是推動樹脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。從增強(qiáng)纖維來看，航空發(fā)動機(jī)部件用增強(qiáng)纖維經(jīng)歷了由傳統(tǒng)玻璃纖維到高性能碳纖維、芳綸纖維的轉(zhuǎn)變。從樹脂體系看，對環(huán)氧樹脂、雙馬樹脂和聚酰亞胺樹脂等高性能化的要求也日益提高?，F(xiàn)階段樹脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片等高速旋轉(zhuǎn)部件及內(nèi)部偏高溫部位的應(yīng)用趨勢促使發(fā)動機(jī)用樹脂體系向高韌性化和高耐溫性方向發(fā)展。在挖掘纖維、樹脂本體性能潛力的同時，研發(fā)以微納材料為代表的第三相功能性組分，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料力學(xué)性能強(qiáng)化與功能特性拓展的平衡統(tǒng)一。從3D打印技術(shù)看，適用于不同3D打印工藝的成熟材料體系較少。因此實(shí)現(xiàn)3D打印材料體系的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)驗(yàn)證，保證原材料性能水平先進(jìn)性和成熟性對3D打印航空發(fā)動機(jī)樹脂基復(fù)合材料部件發(fā)展應(yīng)用具有重要意義。
4.3 高效低成本制造是航空發(fā)動機(jī)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵
高效低成本制造技術(shù)是保證航空發(fā)動機(jī)用復(fù)合材料構(gòu)件穩(wěn)定批量化應(yīng)用的關(guān)鍵。例如復(fù)合材料風(fēng)扇葉片尺寸和形狀的精確性對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣效率、葉片運(yùn)轉(zhuǎn)氣動穩(wěn)定性都具有至關(guān)重要的影響。目前復(fù)合材料葉片生產(chǎn)所采用的預(yù)浸料自動裁剪、激光定位鋪覆技術(shù)、纖維預(yù)成型體3D編織技術(shù)不僅保證了葉片尺寸的準(zhǔn)確性，而且大大減少了后續(xù)修邊等工序，節(jié)省了人力、物力的支出。機(jī)械自動化已成為樹脂基復(fù)合材料成型工藝發(fā)展水平的重要標(biāo)志。因此，需依據(jù)航空發(fā)動機(jī)用樹脂基復(fù)合材料制件精確化、高效化生產(chǎn)的要求，融合材料、機(jī)械、控制等不同學(xué)科，積極開展自動化設(shè)備的研制和應(yīng)用工作，實(shí)現(xiàn)多方向交叉，不同專業(yè)促進(jìn)共贏，推動樹脂基復(fù)合材料自動化制造。此外，針對小批量復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，采用3D打印技術(shù)無需模具工裝制造，可減少原材料浪費(fèi)，避免模具工裝制造、原材儲備等環(huán)節(jié)大量資金投入。因而有利于降低航空發(fā)動機(jī)部件高昂的制造成本。
4.4 高可靠驗(yàn)證評價是航空發(fā)動機(jī)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用的保障
航空發(fā)動機(jī)用樹脂基復(fù)合材料制件服役過程中會經(jīng)受濕熱老化、疲勞振顫、異物沖擊等苛刻的工作條件。國外航空發(fā)動機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片經(jīng)歷了疲勞測試、除冰系統(tǒng)測試、喘振和旋轉(zhuǎn)失速裕度測試、吞鳥測試等實(shí)驗(yàn)認(rèn)證。復(fù)合材料機(jī)匣包容效果評測也需通過平板打靶、全尺寸包容性實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)考核。需要指出的是，復(fù)合材料制件在成型質(zhì)量評價和失效模式分析方面與傳統(tǒng)金屬材料存在不同，不能完全照搬原有金屬材料制件的評價標(biāo)準(zhǔn)。需通過材料級、元件級、制件級實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累及實(shí)際服役工況狀態(tài)采集，建立健全航空發(fā)動機(jī)用樹脂基合材料驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)評價機(jī)制，推動樹脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)的應(yīng)用。
經(jīng)過數(shù)10年的發(fā)展，樹脂基復(fù)合材料在民用渦扇發(fā)動機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。樹脂基復(fù)合材料不僅降低了航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，在發(fā)動機(jī)可靠性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性方面也起到了積極的推動作用。其用量已成為衡量航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。國外在航空發(fā)動機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用方面已經(jīng)積累了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和服役經(jīng)驗(yàn)，在多型航空發(fā)動機(jī)上已獲得較為成熟的應(yīng)用。相比而言，我國在民用航空發(fā)動機(jī)樹脂基復(fù)合材料部件研發(fā)應(yīng)用方面還存在一定差距。需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料、制造工藝、驗(yàn)證評價等諸多方面進(jìn)行趕超。相信隨著國內(nèi)樹脂基復(fù)合材料技術(shù)的日益進(jìn)步，我國樹脂基復(fù)合材料在民用渦扇發(fā)動機(jī)的應(yīng)用必將迎來突破性發(fā)展。
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