碳纤维复合材料在航空部件中的应用分析

  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耐温能力提高,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。

  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。