连续纤维增强复合材料在民用航空发动机上的应用

对碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维和玻璃纤维等连续纤维增强的复合材料在民用航空发动机上的应用进行了概述,对连续纤维增强复合材料在风扇的转子叶片、出口导流叶片、机匣、风扇包容系统、帽罩前锥、消声板、反推装置、高压涡轮导向器和低压涡轮转子叶片等重要零件上的应用现状和发展趋势进行了归纳,指出了国内民用航空发动机应用连续纤维增强复合材料选材的发展方向.     

复合材料在航空发动机上应用的几个问题

复合材料在飞机主承力结构上的应用已有50多年历史,但在航空涡轮发动机上的应用是从60年代初开始的,不过它在发动机上的结构重量现已占约10％,除了风扇及尾喷管,一台现代民用航空发动机从外表看都是碳纤维复合材料制的,一些大型的静态结构,如风扇涵道、风扇框架、整体风扇机匣以及包容环等都采用了复合材料。甚至大型风扇叶片也在探索采用有机复合材料。     

涡轮发动机用陶瓷基复合材料涡轮转子研究进展

高性能飞行器对涡轮发动机性能需求不断提升,对涡轮转子的耐温性和轻质化提出了苛刻要求。而目前高温合金涡轮转子性能逼近材料极限,难以满足未来涡轮发动机大幅减重提温的需求,先进陶瓷基复合材料（CMCs）涡轮转子成为必然趋势。介绍了涡轮转子用CMCs复合材料的设计、制备、加工、检测,以及各国在CMCs涡轮转子研制方面的进展,研究表明CMCs涡轮转子在液体火箭发动机、先进航空发动机领域具有巨大优势和应用潜力。当前连续纤维增强CMCs复合材料涡轮转子的耐温性能、抗热冲击性能已初步得到验证,而材料强度和韧性不足是制约CMCs在航空发动机涡轮转子上应用的主要因素,发展高强度、高韧性涡轮转子用CMCs材料成为当前研究热点和未来必然趋势。     

涡轮发动机用陶瓷基复合材料涡轮转子研究进展（两机专刊）

高性能飞行器对涡轮发动机性能需求不断提升,对涡轮转子的耐温性和轻质化提出了苛刻要求。而目前高温合金涡轮转子性能逼近材料极限,难以满足未来涡轮发动机大幅减重提温的需求,先进陶瓷基复合材料（CMCs）涡轮转子成为必然趋势。本文介绍了涡轮转子用CMCs复合材料的设计、制备、加工、检测,以及各国在CMCs涡轮转子研制方面的进展,研究表明CMCs涡轮转子在液体火箭发动机、先进航空发动机领域具有巨大优势和应用潜力。当前连续纤维增强CMCs复合材料涡轮转子的耐温性能、抗冲击性能已初步得到验证,而材料强度和韧性不足是制约CMCs在航空发动机涡轮转子上应用的主要因素,发展高强度、高韧性涡轮转子用CMCs材料成为当前研究热点和未来必然趋势。     

动态消息

GEnx发动机采用的先进材料GEnx发动机是GE公司由GE90发动机衍生研制的新一代低噪声、低污染、低成本的涡扇发动机,在材料应用上有许多创新。大量采用复合材料是GEnx发动机的突出特点。风扇叶片、前风扇机匣、增压级出口处的可调放气阀门管道均采用了树脂基复合材料。这不仅提高了风扇叶片的抗外物损伤能力,而且大大减轻了质量,例如,复合材料风扇机匣比铝机匣减轻质量160kg。钛铝化合物在低压涡轮工作叶片上的应用是GEnx发动机技术上的一大突破,虽然TiAl化合物的应用在全球已经探索多年,尤其是在IHPTET的CAESAR(结构件以及发动机…     

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的发展现状及其在航空发动机上的应用

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC CMC)具有低密度、高强高模、耐高温抗氧化、抗蠕变、抗热冲击、耐腐蚀、材料热膨胀系数小等性能优点,在航空发动机上具有巨大的应用潜力。从碳化硅纤维、制备工艺、界面相和涂层等方面综述了国内外SiC/SiC CMC的发展现状,并基于SiC/SiC CMC的性能特点对其在航空发动机燃烧室火焰筒、混合器、涡轮罩环/静子叶片/转子叶片、喷管调节片等热端部件上的应用情况进行了介绍。     

CFM56-5C4发动机风扇叶片(N1转子)振动大的故障排除

CFM56-5C4发动机是轴流式、双转子、高涵道比涡轮风扇发动机,主要安装在A340飞机上.风扇叶片(N1转子)振动大是该型发动机航线维护的常见故障,对飞机的签派可靠性有较大影响.     

军用发动机压缩系统的技术进展

在以美国的综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划为代表的先进发动机技术开发与验证计划的推动下,军用航空发动机的压缩系统技术有了长足的进展,特别是军用涡扇发动机上采用的小展弦比叶片、前掠叶片、整体叶环转子、由核心机带动的风扇、大小叶片转子、压气机稳定性主动控制、先进材料应用等.     

纳米复合材料的新用途

纳米技术研究人员在考虑将纳米技术用于碳纤维及碳化硅增强体,因它能承受飞机上可能遇到的高温及腐蚀环境。在一项新近的研究计划中,罗-罗公司已用碳纳米管来增强合成泡沫材料,目的是将这种材料用作涡轮风扇发动机的风扇转子叶片     

罗罗公司稳步推进民用航空发动机项目

罗罗公司虽然在当下窄体客机换发市场上无所作为,但其技术开发却始终没有停顿。目前,该公司正在致力于“Advance2”和“Advance3”等项目的研发,以及复合材料风扇、风扇机匣和低压涡轮等部件的研究。为在此基础上组装双转子、三转子和开式转子发动机做好了准备。近日,罗罗又与普惠联手,重点研究大涵道比齿轮传动风扇技术,为...     

纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

连续纤维增强陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用

阐述了连续纤维增强陶瓷(SiC)基复合材料的优势与存在的问题,重点介绍了国内外对与其相关的增强纤维、构件制备工艺、构件制备的研究进展。     

掺混型碳化硅纤维微波吸收剂的制备

运用功率超声将平均粒径３０ｎｍ的超细金属铁粉均匀分散到聚碳硅烷中，通过熔融纺丝，不熔化处理，烧结，制备出具有良好力学性能，电阻率连续可调的掺混弄烨奔走陶瓷纤维。     

碳化硅纤维连续化工艺研究

本文对连续碳化硅纤维的几种制备工艺方案进行了研究，阐述了纺丝工艺中温度、脱泡、过滤和收丝速度对纤维形态、性能的影响，确立了最佳工艺路线，产在此基础上制备了性能良好的连续ＳｉＣ纤维。     

纤维表面PIP-SiC涂层对2D-SiC_f/SiC复合材料力学性能影响

采用低浓度先驱体溶液利用先驱体浸渍裂解(PIP)工艺在SiC纤维表面制备了SiC涂层,研究了浸渍裂解次数对纤维涂层形貌的影响.研究表明,采用10%的PCS先驱体溶液经3次浸渍裂解后可在纤维表面制得连续致密的SiC涂层.采用经涂层处理的SiC纤维布经热模压成型-先驱体浸渍裂解工艺制备了2D-SiCf/SiC复合材料,其弯曲强度随制备涂层浸渍裂解次数的增加先增后降,经3次浸渍裂解制备涂层的复合材料强度最高,由未经涂层处理的163.5MPa增大到245.9MPa,强度提高近50%.研究证明,SiC纤维表面SiC涂层使纤维在材料致密化过程所受的损伤减小,同时改善了界面,使复合材料强度明显提高.     

连续纤维增强金属基复合材料涡轮轴结构承扭特性分析

为实现对该类复合材料部件结构完整性的设计分析,以连续纤维增强复合材料轴结构为研究对象,对比分析4种细观力学模型计算连续纤维增强金属基复合材料的力学性能参数;在此基础上,采用RVE(代表体积元)有限元模型计算的复合材料力学性能参数作为输入,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构力学分析模型.计算与对比分析不同材料方案下纤维增强金属基复合材料轴结构在扭转载荷作用下的变形量及承扭能力,当纤维体积分数一定时,方案4的变形量最小,方案2的临界屈曲转矩最大.      

Filters for manufacturability in design optimization of variable stiffness composites

In the design optimization of variable stiffness composites, manufacturing constraints imposed by the automated fiber placement technology must be considered. In the present paper, two filters are proposed to address this issue, and they are incorporated into the Shepard interpolation-based design optimization framework developed in our previous studies. The fiber angle arrangement of a composite is represented by a continuous function that interpolates fiber angles at scattered design points. Two filters are appointed for each design point to deal with two typical manufacturing constraints, i.e., fiber curvature and gap/overlap. At each design point, the sensitivity is first filtered in a rectangular region around this point, and by this means the fiber curvature is controlled; then in another rectangular region around this design point, the filtered sensitivities are averaged, and the result is used to update the corresponding design variable. Several numerical examples are investigated, and the results show that the proposed method is effective.     

FeSiB纤维的快淬制备及其性能

由于快淬材料的特殊组织结构和制品形式,不仅具有特殊的功能特性,还具有特殊的机械特性.以常规FeSiB磁性材料为研究对象,采用快淬方法制备连续快淬纤维,并测试机械性能.性能测试结果展示该类型材料快淬纤维在其他领域的应用前景.     

单向C/SiC复合材料热残余应力数值模拟研究

连续纤维增韧陶瓷基复合材料制备过程中因纤维与基体线胀系数失配会产生热残余应力,从而导致纤维脱粘、基体开裂等现象,严重影响复合材料力学性能。本文针对CVI工艺制备的单向C/SiC复合材料,建立"纤维-界面-基体"单胞物理模型,基于细观力学分析方法对热残余应力分布规律进行预测,采用ABAQUS对材料制备过程进行数值模拟,揭示了界面厚度、纤维体积分数、制备温度等参数对纤维、基体热残余应力分布的影响规律,分析了热残余应力对复合材料力学性能的影响。研究结果能够为C/SiC复合材料的设计、分析及微纳力学性能试验提供理论支持。     

碳化过程中改性聚丙烯腈预氧化纤维的高温热应力应变研究

采用对比方法研究了高锰酸钾改性与未改性聚丙烯腈(PAN)预氧化纤维在碳化过程中的高温热应力应变行为。表征了过程纤维的基本物化性质,并用SEM,WAXD,EA等对其结构进行了研究。研究结果表明,改性纤维的热应力应变变化可分为370,500,900℃前后4个区域。与未改性纤维相比,改性纤维的应力在370℃以下增长较快;370~500℃快速下降;500~900℃则迅速增高,同时比未改性PAN纤维应力增加20%以上;900℃以上应力基本保持稳定。大负荷下改性纤维易伸长,小负荷下易收缩,与未改性纤维的差别随负荷减少而减小,500℃以上,两种纤维应变速率变化趋势相近。热应力和热应变是纤维在碳化过程中聚集态结构、化学组成、热化学反应能力的综合体现。与热应变相比,热应力的变化趋势更显著,因而可采用控制碳化过程中纤维热应力的变化控制连续制备中纤维结构的变化。经KMnO4改性PAN纤维制取碳纤维的抗张强度比未改性纤维增加了约20%。