复合材料在发动机中的应用.docx

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1、湘潭大学学科论文复合材料论文题 目：复合材料在发动机中的应用学 院:专 业:学 号:姓 名:指导教师:完成日期:材料科学与工程学院材料物理全华锋张伟2015年6月25日复合材料在发动机中的应用全华锋张伟湘潭大学材料科学与工程学院摘要：分析说明了当前汽车用和航空用发动机所面临的技术性和需求性问题，并分别介绍了碳纤维 增强金属基复合材料、树脂基复合材料在汽车发动机的活塞和连杆上的应用，金属基复合材料和陶 瓷基复合材料在民用航空发动机（GE90、GEnx、LEAP - X ）上的应用，以及C/ C复合材料和 C / CSi复合材料在军用航空航天发动机（固体火箭发动机和超然冲压发动机）上的应用，并就其

2、中 一些复合材料的应用提出了关键性问题和建议。关键词：汽车发动机航空发动机树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料Application of Composite Materials for EnginesAbstract: An analysis shows that the current technical issues and requirements for automobile and aeronautic engines, and introducing the applications of carbon fiber reinforced metal matrix compo

3、sites and polymer composites in the pistons of automotive engine, metal matrix composites and ceramic matrix composite in aeronautic engine (GE90 , GEnx , LEAP - X , and c / C composite and C / CSi composites in military aerospace engine (solid-rocket motors and the transcendent ramjet , and proposi

4、ng some key issues and suggestions for the composite material.Key words: Automobile engines, aircraft engines, resin matrix composites, metal matrix composites, ceramic matrix composites.目录1、引言41.1背景41.2复合材料的研究进展.42、复合材料在汽车发动机中的应用52.1金属基复合材料在活塞上的应用52.2金属基复合材料在连杆上的应用63、复合材料在民用航空发动机中的应用63.1 GE90发动机的复合

5、材料应用错误!未定义书签。3.2 LEAP-X发动机的复合材料应用74、复合材料在军用航空航天发动机中的应用84.1 C/C复合材料在高压固体火箭发动机喷管中的应用错误!未定义书签。4.2 C/SiC复合材料在超燃冲压发动机中的应用错误!未定义书签。4.2.1.超燃冲压发动机原理：错误!未定义书签。4.2.2超然冲压发动机的热防护错误!未定义书签。5、复合材料未来发展的前景展望.错误!未定义书签。5.1复合材料的关键问题.错误!未定义书签。5.2复合材料关键问题的解决办法错误!未定义书签。5.3可行性分析.错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。1、引言1.1背景人类社会正面临着诸多的需求

6、和问题，如矿物能源和资源的枯竭、环境污染问题、 信息技术以及生活质量等问题，这些推动了复合材料等新兴材料的发展，也促进了各种 高新技术的不断革新。现在科学研究已经全面进入到了一个可以按照预定性能对材料进 行材料设计和对各类材料的进行综合利用化的新时期。复合材料被认为是除金属材料、无机非金属材料和高分子材料之外的第四大类材料， 它是金属、无机非金属和高分子等单一材料发展和应用的必然结果。汽车产业、航空航 天和微电子等高科技领域的发展，对材料提出了更为严苛的要求。单一材料已经很难满 足制造具有高性能和高指标要求的先进材料，因此材料复合化成为了材料发展过程中的 必然趋势，同时也强而有力地推进了复合材

7、料向前发展的进程。随着大量新型复合材料 被不断研究和发现，复合材料因其具备的密度小、热稳定性好、耐高温、耐摩擦、耐烧 蚀、导热导电性好、强度高、膨胀系数小、阻尼性能优异、耐疲劳、吸波性好等特点， 复合材料不仅应用在飞机、飞弹、火箭和人造地球卫星等高科技前沿尖端领域，同时也 在汽车建筑、能源交通、电子机械、医疗体育等诸多领域被广泛地应用1。本文主要介 绍了树脂基复合材料、金属基复合材料以及陶瓷基复合材料等新型先进复合材料在汽车 发动机、民用航空发动机和军用航空航天发动机等方面的应用和进展情况。1.2复合材料的研究进展复合材料是由两种或两种以上异质、异性、异形的材料经过一定的复合工艺得到的 新材料

8、，它既保留了原有组分的主要特点，同时又通过协同效应获得原有组分所没有的 优异性能。复合材料自上世纪六十年代诞生以来，由于其具有的独特性能和优势，已经 实现了多层次、宽领域、高效益地应用，并且还在不断地发展与改进中。近年来，在复 合材料在加工领域研究中，取得了一大批富有意义的前瞻性进展，由于先进的加工工艺 技术的应用和计算机设计技术的帮助，提高了复合材料在市场中竞争能力，其应用空间 维度和深度也正不断地扩大。现今可以看到，复合材料总体的发展趋势呈现为： 深入了解和控制复合材料的界面特性； 提高结构型复合材料的理化性能研究； 建立健全的复合材料力学体系；加强功能复合材料结构设计智能化的研究。2、复

9、合材料在汽车发动机中的应用图1汽车发动机当今世界，汽车总量与日俱增，正在以越来越大的影响 力不断改变着人们的工作与生活方式。但随之而暴露出来 的在环境污染、能源短缺等方面问题也日加明显。因此，通 过降低燃油消耗比和发动机污染物排放、减轻汽车质量的 方式就成为了现代汽车工业的发展追求的目标。因此在保 证汽车整体性能不被削弱的条件下，通过最大程度地减轻 各零部件的质量，努力谋求高功率输出、低振动睿频噪声、 低摩擦和良好的操控性、高可靠性，使汽车不断接近低油 耗、轻量化、高速度目标要求。而其中一条非常重要可行的 途径就是开发和应用一些新型的功能材料和结构材料，用以代替一些传统的材料。而在 这场新材料

10、的竞争中，金属基复合材料愈来愈得到制造商和设计人员的重视，并且在高 性能发动机的应用上取得了卓有成效的成果。2.1金属基复合材料在活塞上的应用图3镶嵌纤维增强合金圆环的铝活塞图2活塞的基本结构活塞是发动机中的最重要零部件之一，它的性能可以直接决定发动机使用的持久性 和工作的可靠性，因为发动机中燃烧室的工作环境非常残酷恶劣，常常导致第一道环槽 早期严重磨损和铝活塞烧顶的现象。为了解决这个问题，在上世纪八十年代中期，日本 国内的某汽车工业巨头公司率先研制出了利用Aip短纤维增强的铝活塞用以替代传统 的普通汽车发动机铝活塞。经Aip3短纤维增强之后，活塞环槽区的耐磨性能得到明显 的改进，其中AC8A

11、铝合金使用5%-7%的AlP纤维增强后，使其耐磨性能比高镍奥 氏体铸铁的提高7成。结果发现该类活塞的高温疲劳强度、抗咬合能力、热稳定性和热 导率均明显得到了提高，而且热膨系数比普通的汽车发动机铝活塞的要下降8%-15%2,3。 AlP短纤维局部增强的铝活塞还能减小活塞顶部燃烧室的边缘表面的裂纹方向，从而 提高了高速柴油机铝合金活塞的安全性和可靠性。除日本外，部分欧美发达国家也正在大力研究利用金属基复合材料强化活塞工作性能的新技术。并且美国已有人制造出了性能优异的ao短纤维增强铝合金活塞。除了在 活塞中的第一道环槽使用陶瓷纤维局部进行增强外，在环槽的整个冠部也使用陶瓷纤维 增强复合材料，进而使活

12、塞冠部的热抗能力进一步得到改善，而汽车发动机的燃烧效率 也被显著提高。法国在研制四缸发动机的过程中，在活塞和连杆上应用金属基复合材料， 使发动机的油耗水平下降15%,同时增长了发动机的使用寿命。2.2金属基复合材料在连杆上的应用在上世纪80年代中期，FLOGGER等人用AlO长纤维增强铝基合金试制出了汽车发 动机连杆,使金属基复合材料同样被成功应用到了汽车发动机的活动连杆上。后来，日 本的MAZDA公司也研制出了使用这种复合材料的发动机活塞连杆。此类连杆的本身重量 很轻、抗疲劳强度和抗拉强度很高，而膨胀系数很小，因此可以很好地满足现代汽车发 动机活动连杆的工作要求。由于使用这种轻质复合材料的连

13、杆使曲轴、轴承等其它一些 与连杆相关的零件重量发生大幅减轻，并且去除了为降低噪音和机械振动所施加的平衡 重量，提高了发动机的反应灵敏度4。目前，铝基复合材料多采用Al Si合金，普遍使用的填充增强剂包括陶瓷晶须、陶 瓷微粒和陶瓷纤维等。它与普通的铝合金相比，质量更轻、比强度和比模量更高、耐热 性和耐磨性更好，可以作为汽车轻量化使用的前景材料。3、复合材料在民用航空发动机中的应用随着经济社会的不断发展，人们日益增长的物质需求也在不断提高，这正逐步体现 在日常出行交通方式的多元化问题上，而民用航空因为其所具有的便捷性、高效性和舒 适性，受到大众愈加的喜爱和追求。因此，航空出行需求量的增加已成为交通

14、方式多元 化发展的必然趋势，但是，由于其经济性和安全性的制约也极大限制了民用航空快速发 展的步伐。因此，研究大推重比、低油耗、绿色环保、安全可靠的高性能发动机以取代 传统的航空发动机成为解决这一问题的关键。因为复合材料本身所具有的独特性能，材 料设计人员和材料制造商正越来越重视在一些新型复合材料材料上的开发，并投入了巨 大的资源进行研究，取得了不错的效果。3.1 GE90发动机的复合材料应用树脂基复合材料（SMC）具有很高的比强度和比模量、良好的耐疲劳性与耐腐蚀性和 较强的阻噪能力，因此已经在航空发动机的机匣、转子叶片、静子叶片、发动机短舱、 机匣等冷端部件上被广泛应用。在GE90系列发动机上

15、，美国通用电气公司为了开发出能够有效替代钛合金的树脂 基复合材料，投入巨资，并使用碳增强纤维与环氧树脂基复合，制造出了具有极高韧性的复合材料材料风扇叶片。而传统钛合金制造的风扇叶片与其相比较，在抗振能力、低 噪声水平、抗鸟击能力等方面明显存在不足5。实践结果发现，高韧环氧复合材料在波 音777的实际装配使用中表现出了优异的安全可靠性，可维护性也大大提高。在享受树脂基复合材料给我们生活带来便利的同时，我们也应该清醒地认识到我们 所面临的的两个问题：第一，在使用后留下的废品；第二，加工过程中所产生的废品。 在解决这一问题时，传统的焚烧和掩埋法对环境的污染和土地的占用率问题太突出。因 此近年来粉碎法

16、被广泛的推广下去了。被H推区E机匣 遂阵硬皓沱戒E与白黯和顷rM里旦旨TT十IFtt f4=M 匣f间代土 柯白忖松I而一代阉律高史凋轮女区罩盯据：它舌材捌十口验瀛学-a 5.前于村寸I衿干村代占1祜叶花制一代甸汗出理音材利商虫思定叶片鬲仁陶丹工更白忖H有围任压吕惊叶片f-tfrW村材丘压爵帝叶W向器叶图4新型复合材料在GEnx各部件上的应用3.2 LEAP-X发动机的复合材料应用 LEAP-X发动机的风扇叶片LEAP-X发动机是由美国GE和法国SNECM A的联合公司CFM为开发适合现代大中型 民航客机飞行而制造的大函道比高性能涡扇发动机。为了实现整机质量的大幅度减重， LEAP-X发动机2

17、的风扇叶片使用了由三维编织树脂模传递成型技术（3-DW RTM）制造的 先进碳纤维复合材料，并且在风扇叶片的边缘采用了钛合金。通过运用这项技术，使CFM 制造的LEAP-X发动机具备了耐久性极好、燃油效费比高、免维护的特点。试验表明， 采用3-DW RTM技术制造的先进碳纤维复合材料风扇叶片，不仅具有坚固的结构、较轻 的质量。 LEAP-X发动机的风扇机匣LEAP-X发动机的风扇机匣使用的金属基复合材料在比强度、比刚度、耐高温性和稳 定性等方面均优于传统金属材料。由SiC纤维增强的钛基复合材料具有高的比强度、比 刚度和耐高温性能，可在816C下保持较好的强度和刚度，并且其重量仅为传统镍基合 金

18、的50%。在发动机中应用这种复合材料制成的风扇叶片在强度和硬度方面较传统钛合 金材料具有明显优异性，同时可再使发动机的风扇叶片减重约14%，提高了发动机的飞 行性能。因而以钛基、铝基复合材料为代表的金属基复合材料被广泛应用于整体叶环、 压气机叶片、机匣、连动杆等发动机部件上6。LEAP-X发动机涡轮导向器的结构、高压涡轮喷嘴、减震叶片中应用的新型陶瓷基复 合材料，让LEAP-X发动机在燃烧效率、耐久性和稳定性等方面都有了大幅的提高，并且可使其重量显著降低。图7三维编织树脂模传递成型 复合材料风扇叶片图8陶瓷基复合材料低压涡轮导向器叶片图9大函道比涡扇航空发动机4、复合材料在军用航空航天发动机中

19、的应用航空发动机，作为飞行器最核心的心脏构件，它的 性能直接决定着飞行器的能效性、可靠性和经济性，是 一个国家科技化进程、工业化水平和国防实力的重要体 现。因为需要满足现代航空航天飞行器高机动性、大过 载、重负荷、高飞行速度的要求，航空发动机通常需要 忍受极为严苛的高温高压工作气流环境的冲击，所以应 用传统材料（镍合金和钛合金）制成的航空发动机在较 高的循环工作周期下，容易出现热应力蠕变、疲劳和断 裂的现象，造成发动机的失效、破坏甚至解体。它的技术难度之高、工艺设计之复杂、 资源投资之巨大远超一般工业产品所能比拟，因此被誉为“现代工业皇冠上的明珠”。 为了解决航空发动机面临的“三高三难”的技术

20、门槛，开发并应用新型先进复合材料已 成为目前为止突破航空发动机技术难题最为有效的切入点，少数发达国家也对各种复合 材料在航空发动机上的前景应用做了大量研究探讨和推广，并取得了卓有成效的成果。 同时在各种飞行器的其他方面也大量使用了复合材料，下表列举的是复合材料在部分军 用飞机上的使用情况：机种研制会司应用部愤材料供色有陆，海麦觅.诺斯卵晋， 诬用电器、怵斯彼/弟鼠机揖费直阙机族结枸 固7双马机身像我Hee血（IM 7纤雄） 月be虹3773增切外薮）29F22空洛克蠢的.彼音、 通.用5S力中如号的般/双己变皮， 管迎、隔带架； 磁F罪酰企胺机型构件；照用场承力结为Wa $F. Hwc吏1.i

21、SercuEcxF ibcrit-e Qrax, A mwGi26 27A/FX海浩克希苗、洛杵ri、重道擎克*,勺:、 .诚用勃力全复合村可机身，.可能是碳/邛*SDSOV22陆、海皿尔、波音破/拜翟土承山站也S，成聘/Knl# 匪Hercules. Fibtrite U-S- Polymer l-clianr (jontainmcnl gyslvmFig.17 Exploded view of regeneration cooling structure con-sisting of C/SiC composite panels andNi alloy tubes虽然C/SiC复合材料因为

22、其高比强度、高比热容，低热胀系数、密度小、热稳定好、 抗热颤性强等优异特点而被广泛研究和应用到前景航空发动机中，但是企业存在着一些 不可忽视的关键技术问题尚待提高和解决。其关键技术问题包括： 界面和基体的稳定化； 基体改性；耐腐蚀涂层技术；复杂结构的稳定性；高温镶接与热封闭技术等。5、复合材料未来发展的前景展望随着对复合材料研究工作的不断深入和科学家们的不断探索，加之辅以持续改进的 生产和加工工艺，使复合材料应用的普遍性、实用性、高效性得到了巨大的提高，应用 前景非常广阔。但是不可忽视，现在复合材料在生产和应用领域还存在许多问题，而这 些问题也在一定程度上限制了复合材料的发展。因此，对复合材料

23、继续进行深入探索是 值得的。5.1复合材料的关键问题其主要关键科学问题包括：复合材料的技术难度大，在许多方面如界面稳定性、界面与基体的结合问题、基 体的改性问题、高性能增强纤维的制备问题和复合材料的氧化问题，还有待继续深入研 究和解决。复合材料的生产加工工艺繁杂，导致复合材料的技术成本较高，价格昂贵，生产 周期长。研究领域对复合材料的组成成分、结构、材料的制备以及工艺技术问题等还不够 公开。5.2复合材料关键问题的解决办法其解决办法是采用从简至繁，先局部后整体的研究方法，对基体界面进行参杂或其 他的改性手段，提高基体的稳定性和抗氧化能力，使基体与增强体的沁润程度增加，结 合力增强，而残余应力减

24、小。并针对不同的材料采用合理的生产技术（如固态法、液态 法、原位复合法、RTM、ICVI、沁渍热解法等）和加工工艺（如模压成型、手糊成型、树 脂传递成型、注射成型和FRTP等），研究大规模快速制作材料的生产技术，以降低制品 生产价格和周期。5.3可行性分析大规模的产业化批量生产是降低复合材料成本，缩短复合材料生产周期的唯一方法， 这是依托于合理的生产技术和加工工艺的，而复合材料的制备方法是由它本身的性质决 定的，因此从研究复合材料组成、结构、性质的角度去探索复合材料的改进和制备室可 行的。纵观历史，人类文明每一次的向前发展，人们生活方式的每一次改变以及社会面貌 的每一次革新都可以看作是材料发展

25、的一次次放大。现在复合材料等新兴材料正不断推 动着科学技术的进步。同时，伴随着社会科学技术的逐步发展，特别是在汽车产业、航 空航天和微电子等高科技领域的迅猛发展，我们对材料的性能也提出了高要求和高标准， 因而对复合材料也有了更高的要求。普遍认为先进复合材料今后将朝着低成本、高性能、 多功能和智能化四个方向发展继续向前不断发展。总体看来，我国的复合材料产业同发达国家比较生产规模小、应用领域窄、工艺生 产技术薄。针对目前面临的问题，相关企业应该在将研究、生产和使用统筹起来，在研 发中不断改进，在应用中不断提高，通过依托人才优势，将理论和实践结合，使我国的 复合材料产业不断追赶发达国家，并最终实现世

26、界领先。参考文献1 尹洪峰，魏剑.复合材料M.北京:冶金工业出版社，2010.2 杨琪.浅析汽车发动机零件的用材趋势J.现代零部件，2005 (4)： 86-89.3 村山武海，刘克鲜，马戈.发动机气门及其材料利用技术J .国外内燃机车,2000(6):39- 44.4 李树生，江梅.汽车发动机周边用高分子材料J.汽车工艺与材料，2001 (7) : 17-19.5 李杰.GE公司复合材料风扇叶片的发展和工艺J.航空发动机，200 (84).6 李杰.后掠大流量宽弦复合材料风扇叶片综述J.航空制造技术，2009 (17).7 李杰.LEAP-X发动机的创新性技术J.航空科学技术，2011 (4

27、).8 刘政、周彼德金属基复合材料在发动机中的应用.兵器材料科学与工程.1993, 16(2):68- 719 刘建军，苏明君，陈长乐.碳/碳复合材料烧蚀性能形响性能分析J.碳素,2003(2).10 廖助鸿等.C/C复合材料在火箭发动机上和飞机上的应用J,碳素,2002(3).11 Dirling R B. Progress in Materials and Structures Evaluation for the HyTech program. AIAA 98-1591.12 Chen F F, Tam W F, Shimp N R, et al. An Innovative Therm

28、al Management System for a Mach 4 to Mach 8 Hypersonic Scramjet engine. AIAA 98-3734.13 Sillence M A. Hydrocarbon Scramjet Engine Technology Flowpath Component Development. AIAA 2002-5158.14 Bouquet C, Fischer R, Thebault J, et al. Composite Technologies Development Status for Scramjet. AIAA 2005-3431.15 鲍福廷，黄熙君,张振鹏.固体火箭冲压组合发动机=Integral solid propellant ramjetor M.北京：中国宇航出版社，2006.