碳纖維樹脂基復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)，可替代傳統(tǒng)鋁合金，應(yīng)用在機(jī)翼、機(jī)身等部位。隨著碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度、韌性的提升，在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用也得到越來越大的關(guān)注。在軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，GE公司在六代機(jī)的AETD核心機(jī)的靜子部件中通過采用樹脂基復(fù)合材料，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，進(jìn)一步提高燃油效率和推重比。在商用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，借助于在機(jī)匣、風(fēng)扇葉片、涵道管等部位引入輕質(zhì)的碳纖維樹脂基復(fù)合材料，LAEP發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比上升到10：1；寬體客機(jī)和窄體客機(jī)的平均燃油效率分別降低為1980年的27%和35%；在2050年，有望達(dá)到歐洲航空研究委員會(huì)的呼吁目標(biāo)，與2000年相比，每乘客公里二氧化碳減少75%，氮氧化物（NOx）排放減少90%，噪音減少65%相比。

    一、碳纖維復(fù)合材料混雜葉片和高溫BMI部件成為研究熱點(diǎn)

    為波音777 X提供動(dòng)力的GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)，在2020年投入服務(wù)，其風(fēng)扇葉片將首次在同一的樹脂內(nèi)加入碳和玻璃混合增強(qiáng)纖維，玻璃纖維含量為5%-10%。由于玻璃纖維的破壞應(yīng)變高，在斷裂前能夠彎曲，提高葉片的抗撞擊強(qiáng)度，已在GE公司最長最寬的弦葉片上通過了鳥擊測試。GE9X采用新的三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，有更多的排風(fēng)量，葉片可以做的更薄，數(shù)量還可以比GEnx和GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)分別少2和6片。更少的風(fēng)扇葉片數(shù)和新刀片設(shè)計(jì)使風(fēng)扇葉尖速度更快，提高了低壓渦輪效率。GE9X的風(fēng)扇前機(jī)匣和后風(fēng)扇框架也將采用復(fù)合材料，由賽峰設(shè)計(jì)制造，使用已在LEAP上應(yīng)用的3D編制預(yù)成型技術(shù)。GE9X是目前最大的風(fēng)扇，直徑有3.4米，機(jī)匣也采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，減重近160千克。混雜葉片打開了通向其他組合形式的大門，包括將不同形式的碳纖維如條帶，編條和織物組合進(jìn)同一葉片的不同部位。混雜材料的應(yīng)用不限于風(fēng)扇部件，還可用于流跡表面荷載較小的部位，未來甚至在某些領(lǐng)域取代高溫金屬，如發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)中200 ℃- 425℃的部件。

    高溫復(fù)合材料在風(fēng)扇以外的高溫部件中也開始應(yīng)用，如GEnx的變量溢流閥（VBV）導(dǎo)管。這些結(jié)構(gòu)位于風(fēng)扇組件的出口位置，共有10個(gè)，由美國EDO纖維創(chuàng)新公司采用碳纖維增強(qiáng)雙馬來酰亞胺（BMI）制造，在高溫下能夠承受內(nèi)部壓力和抗氧化，但每套重量只有3.6千克。另一個(gè)碳纖維增強(qiáng)的BMI零件是SaM146發(fā)動(dòng)機(jī)上的混流噴嘴（MFN），由賽峰集團(tuán)子公司赫拉克勒斯設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，比金屬輕30%（20千克），其復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)襯可以吸收將聲波限制在16,0000個(gè)小孔內(nèi)，起到吸聲的作用。

    二、碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)扇上的應(yīng)用已走上成熟

    商用發(fā)動(dòng)機(jī)提高涵道比的需求是復(fù)合材料應(yīng)用到風(fēng)扇上的主要?jiǎng)恿Α８叩暮辣纫馕吨玫娜加托剩残枰黾恿藴u扇的大小和重量。因此，輕質(zhì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料被應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片和機(jī)匣。羅羅公司是最早開始樹脂基復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇上應(yīng)用研究的公司。早在1950年代，羅羅公司設(shè)計(jì)的RB108發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片和機(jī)匣中就開始應(yīng)用玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料；在1970年代，RB211-22B發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片中使用了名為“Hyfil”的碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧復(fù)合材料。不幸的是，Hyfil葉片缺乏足夠的鳥擊強(qiáng)度和制造可重復(fù)性，迫使該公司在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入服役之前換回鈦合金。

    GE航空公司為波音777提供動(dòng)力的GE90，是首個(gè)使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片并進(jìn)入實(shí)際服役的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。葉片長1.2米，每個(gè)葉片使用超過1700個(gè)手工鋪層的碳纖維預(yù)浸料制造，通過熱壓罐固化和精加工，每個(gè)葉片需要340個(gè)小時(shí)。GE90于1995年開始服役，也在風(fēng)扇定子機(jī)匣、風(fēng)扇平臺、聲學(xué)平臺中應(yīng)用復(fù)合材料，均由GE公司位于貝茨維爾的美國工廠生產(chǎn)。為波音787和747-8飛機(jī)提供動(dòng)力的GEnx渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)也使用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，由于復(fù)合材料性能的改進(jìn)，葉片數(shù)量由GE90的22個(gè)，降為18個(gè)，并首次將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用擴(kuò)展到風(fēng)扇前機(jī)匣。GEnx采用日本東麗公司的T700標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維，由A&P技術(shù)公司編織成雙向和三向織物。相比GE90在2007年3000片/年的產(chǎn)量，GEnx在2009年的產(chǎn)量接近1800葉片/年。

    為波音737 MAX、空客320neo和中國商飛C919提供動(dòng)力的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片也是應(yīng)用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，產(chǎn)量達(dá)28000片/年。這么高的生產(chǎn)速率是由于兩方面的技術(shù)突破：一是奧爾巴尼工程復(fù)合材料公司的3D編織預(yù)成型件；二是可以迅速注入環(huán)氧樹脂的樹脂傳遞模塑（RTM）工藝。復(fù)合材料的3D編制預(yù)成型件是通過機(jī)器編織，制造一個(gè)單獨(dú)的、精密預(yù)成型的零件，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和剛度的裁剪。LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣也應(yīng)用了同樣的技術(shù)，采用了30米長，凈形3D編織預(yù)成型體，和鋁相比減重30%，能夠滿足葉片飛出測試要求，不需要制造和組裝單獨(dú)的密封環(huán)。葉片和葉根間隔器之間的平臺幾何形狀復(fù)雜，也使用了3D預(yù)成型件和RTM工藝。

    圖1  FACC將為羅羅Advance發(fā)動(dòng)機(jī)制造碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料環(huán)填料

    與LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)類似，羅羅公司下一代的遄達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)，以及在2020年投入使用的Advance發(fā)動(dòng)機(jī)將采用奧地利FACC開發(fā)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)填料（圖1）。這些部件與金屬件相比，減重40%，每臺發(fā)動(dòng)機(jī)需18—22個(gè)填料，減少了金屬風(fēng)扇葉盤的負(fù)載，可以使用更輕的風(fēng)扇葉盤。Advance發(fā)動(dòng)機(jī)采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉片、機(jī)匣，與早期的湍達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，將節(jié)省高達(dá)680千克重量，改善20%的燃油效率，減少20%的碳排放。在2025年服役的后續(xù)UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)，也將繼續(xù)使用復(fù)合材料，預(yù)計(jì)燃油效率和減排效率比早期湍達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)均提高25%，比遄達(dá)XWB分別提高6%和10%。遄達(dá)XWB是目前空客A350 XWB的選項(xiàng)之一，沒有使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的風(fēng)扇葉片，但在風(fēng)扇后機(jī)匣、風(fēng)扇撥道桿，分岔襯，反流板等部件中采用了FACC制造的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。此外，F(xiàn)ACC還為羅羅建造了輕量級、具備吸聲能力的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料外涵道管（見圖2）。自2001年以來，F(xiàn)ACC已經(jīng)為羅羅的BR700系列區(qū)域噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)了超過1000個(gè)零件。

    圖2  FACC已經(jīng)為羅羅BR700系列發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)了超過1000個(gè)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的涵道管

    三、復(fù)合材料集成推進(jìn)系統(tǒng)彰顯未來發(fā)展趨勢

    發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師尋求每一個(gè)百分點(diǎn)燃油效率提高的可能，并把逐漸把關(guān)注點(diǎn)放在短艙優(yōu)化上。為中國商飛C919提供動(dòng)力的LEAP 1-C發(fā)動(dòng)機(jī)，特征之一就是新一代的發(fā)動(dòng)機(jī)短艙設(shè)計(jì)。該發(fā)動(dòng)機(jī)短艙由奈克賽爾制造，被其總裁稱為“第一款真正的集成推進(jìn)系統(tǒng)（IPS）”。IPS的重量80%是復(fù)合材料，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙占70%。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)進(jìn)行短艙結(jié)構(gòu)與吊艙零件的設(shè)計(jì)，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和吊艙單獨(dú)設(shè)計(jì)時(shí)的過度保守，再與輕質(zhì)復(fù)合材料集成。IPS的創(chuàng)新將LAEP 1-C 的燃油效率降低了額外的2%。

    IPS采用一片式復(fù)合材料O形管取代傳統(tǒng)推力反向器的兩件套“D”形門，使氣流更平滑繞過，將燃油效率和推力反向器效率提高10%。IPS的一個(gè)關(guān)鍵特征是O形管的單片碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)蒙皮（參見圖3），由賽峰集團(tuán)子公司Aircelle公司法國勒阿弗爾設(shè)施采用一種創(chuàng)新的成型工藝制造。雖然沒有公布更多細(xì)節(jié)，Aircelle聲稱它已經(jīng)掌握了RTM和采用3D編制預(yù)成型件的3D RTM工藝。IPS的另一個(gè)關(guān)鍵特征是低阻力前緣，取代了傳統(tǒng)多片鋁合金前緣，艙壁、外桶與單一、無縫的復(fù)合結(jié)構(gòu)組裝，消除結(jié)構(gòu)不連續(xù)，使層流延伸到復(fù)合材料尾艙，改善空氣動(dòng)力學(xué)。內(nèi)桶也是一個(gè)整體復(fù)合材料，可幫助實(shí)現(xiàn)降噪目標(biāo)。這種新型的簡化結(jié)構(gòu)增加了10%—20%表面積的氣流路徑，從而提升了氣動(dòng)效率。IPS是未來研發(fā)的重要目標(biāo)，將要求超薄的線性/層流機(jī)艙，適應(yīng)風(fēng)扇葉片，扭曲容限風(fēng)扇和多自由度聲學(xué)襯墊。復(fù)合材料可以幫助這些所有這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

    圖3  Nexcelle公司集成推系統(tǒng)的復(fù)合材料O形管（左）和330°整體成形碳復(fù)合材料內(nèi)蒙皮（右）

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責(zé)任編輯：龐雪潔

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