著氣動(dòng)熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料科學(xué)等的飛速發(fā)展，較高的性能、良好的經(jīng)濟(jì)性、極好的環(huán)保特性和很高的可靠性已經(jīng)成為運(yùn)輸機(jī)用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制的主要目標(biāo)，而較高的推重比、較低的油耗、較少的信號(hào)特征、極高的可靠性已經(jīng)成為戰(zhàn)斗機(jī)用小涵道比加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制的主要目標(biāo)。 

      研究表明，在不改變目前航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局的前提下，上述目標(biāo)要想取得突破，創(chuàng)新的材料和新穎的結(jié)構(gòu)方案是極其關(guān)鍵的因素。樹脂基復(fù)合材料以其具有：（1）制件質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，具有突出的比強(qiáng)度和比模量；（2）制件成型方便，成本較低；（3）成型工藝成熟等明顯優(yōu)勢，并已經(jīng)成為航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造商所青睞的高性能冷端部件的重要候選材料，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和小涵道比加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵機(jī)匣、轉(zhuǎn)子葉片、靜子葉片、包容機(jī)匣以及發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和反推力裝置等部件上。

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料部件的開發(fā)和應(yīng)用

       纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)50年代。目前，英國的R·R公司、美國的GEAE公司和P&W公司、德國的MTU公司和法國的SNECMA公司都進(jìn)行了大量的開發(fā)和驗(yàn)證工作，也都取得了很大的進(jìn)展，已經(jīng)將樹脂基復(fù)合材料成功地應(yīng)用到部分大涵道比和小涵道比航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上。

1 GEAE公司

       為了減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，GEAE公司已經(jīng)將先進(jìn)的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用到航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的較多低溫部件中，如外涵機(jī)匣、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片、包容機(jī)匣。公司還進(jìn)行了應(yīng)用于靜子葉片、風(fēng)扇框架、整流罩、葉冠等部件的大量開發(fā)和研究工作。

2 P&W公司

       樹脂基復(fù)合材料在P&W公司渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代。至80年代，P&W公司首先從外部部件入手，嘗試研究了噴管外部調(diào)節(jié)片、加力燃燒室筒體、風(fēng)扇包容環(huán)、風(fēng)扇機(jī)匣等部件。爾后，一直在開發(fā)和嘗試用于其他一些低溫部件。

3 R·R公司 

       20世紀(jì)60年代，R·R公司開始開發(fā)玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料部件。1977年投入使用的第一代垂直起飛戰(zhàn)斗機(jī)的升力發(fā)動(dòng)機(jī)RB162發(fā)動(dòng)機(jī)，就采用了Kerimid60材料制造的壓氣機(jī)機(jī)匣、靜子和轉(zhuǎn)子葉片。雖然該發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于起飛時(shí)的幾分鐘，但是，到目前為止，仍是唯一采用全復(fù)合材料壓氣機(jī)的投入使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

4 MTU公司

      (1) 驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的復(fù)合材料部件技術(shù)。MTU公司開展的齒輪驅(qū)動(dòng)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，始于1985年起動(dòng)的德國國家反轉(zhuǎn)閉式整體槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)（CRISP）技術(shù)研究計(jì)劃支持的CRISP項(xiàng)目。20世紀(jì)80年代中期，MTU公司在CRISP項(xiàng)目下開展了樹脂基復(fù)合材料壓氣機(jī)靜子葉片和轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計(jì)、加工和驗(yàn)證工作。

      (2)J200 發(fā)動(dòng)機(jī)未來改進(jìn)開發(fā)的纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。

       按照一項(xiàng)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究計(jì)劃（為改進(jìn)EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)），2000年12月，MTU公司開始進(jìn)行設(shè)計(jì)點(diǎn)總增壓比為5.1的3級(jí)低壓壓氣機(jī)試驗(yàn)件的試驗(yàn)。在從慢車到起飛的整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，該試驗(yàn)件具有令人格外欣喜的喘振裕度和性能。進(jìn)口導(dǎo)流葉片（IGV）具有由碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）制作的可調(diào)襟葉。其前支板是固定的鈦葉片，有供油和供氣通道；鈦支板起機(jī)械支承結(jié)構(gòu)的作用，以至在直接的高速?zèng)_擊下也有足夠的抗鳥撞能力。與實(shí)心鈦葉片設(shè)計(jì)相比，可調(diào)CFRP襟葉能減輕總質(zhì)量7kg。采用樹脂轉(zhuǎn)換模技術(shù)，其加工費(fèi)用與空心鈦襟葉設(shè)計(jì)的加工費(fèi)用相當(dāng)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段和在相關(guān)的部件機(jī)械試驗(yàn)表明：CFRP襟葉的振動(dòng)水平較低；耐磨能力足夠；支板/襟葉設(shè)計(jì)合理，可以確保具有抗鳥撞和抗喘振能力。 

       綜上所述，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)被美國、英國、法國等航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)國家廣泛應(yīng)用在航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫部件上?；仡櫯c總結(jié)此類部件的研制歷程和應(yīng)用情況，可以發(fā)現(xiàn)其發(fā)展具有以下特點(diǎn)。

1 耐高溫能力提高，應(yīng)用范圍擴(kuò)大

       目前，應(yīng)用在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)部件上的較為成熟的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料主要包括纖維增強(qiáng)PMR-15基復(fù)合材料和凱芙拉增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料等。由于耐溫能力較差，這些材料還僅限于應(yīng)用在工作溫度較低的冷端部件上。為了擴(kuò)大纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)國家開發(fā)了耐更高溫度的多種樹脂基復(fù)合材料，如HT-S/L a R C-160、A S4/P M R-Ⅱ、T40R/PMR-Ⅱ、T40R/V-CAP-50、QuaHZ/AFR-700B、Celion6K/LaRC-RP46等，并在航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)或驗(yàn)證機(jī)上對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。具體實(shí)例包括：在F110IPE發(fā)動(dòng)機(jī)上，對(duì)VCAP-75基復(fù)合材料后整流部件進(jìn)行了驗(yàn)證；在IHPTET計(jì)劃驗(yàn)證機(jī)上，對(duì)AFR700B基復(fù)合材料支板進(jìn)行了驗(yàn)證，并準(zhǔn)備應(yīng)用于F136發(fā)動(dòng)機(jī)上；在IHPTET計(jì)劃驗(yàn)證機(jī)上，對(duì)AFR700B基復(fù)合材料外涵機(jī)匣等靜止部件進(jìn)行了驗(yàn)證，并準(zhǔn)備用于F119發(fā)動(dòng)機(jī)上。

       由航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高和質(zhì)量不斷減輕的明顯發(fā)展趨勢樹脂基復(fù)合材料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)部件發(fā)展特點(diǎn)決定,未來渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)不得不大量采用先進(jìn)復(fù)合材料和相應(yīng)的新穎結(jié)
構(gòu)，因此，有理由相信，隨著耐溫能力更強(qiáng)的新型樹脂基復(fù)合材料的驗(yàn)證和成熟，樹脂基復(fù)合材料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)部件的工作溫度將得到提高，應(yīng)用范圍也將逐步擴(kuò)大，最終將應(yīng)用到工作溫度稍高的核心機(jī)上。

2 制造技術(shù)自動(dòng)化，成本降低

      經(jīng)過多年的開發(fā)和研究，國外樹脂基復(fù)合材料制件的制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。采用自動(dòng)化纖維鋪放技術(shù)，可以取代手工鋪放，降低成本38%，減少勞動(dòng)工時(shí)60%，減少零件數(shù)量80%采用自動(dòng)化RTM成形技術(shù)，可以降低纖維鋪放成本，制造出形狀復(fù)雜的制件，提高生產(chǎn)的可重復(fù)性，并可將材料消耗降低到最低程度；采用先進(jìn)的自動(dòng)化纖維引導(dǎo)鋪放、樹脂膜浸漬和真空輔助RTM造型技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀、大尺寸、厚截面和高精度的航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)部件的低成本制造。

      與RTM相關(guān)的制造技術(shù)，如樹脂膜浸漬技術(shù)（RFI）和真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移造型（VARTM）技術(shù)尚在發(fā)展之中。2020年前，國外將進(jìn)一步開發(fā)更加高效、可靠、低成本的制造方法和設(shè)備，探索研究具有良好加工性能和優(yōu)良熱穩(wěn)定性的新聚合物合成技術(shù)。

3 設(shè)計(jì)與制造一體化，綜合能力提高

       復(fù)合材料的形成過程就是復(fù)合材料制件的加工過程。復(fù)合材料制件的應(yīng)用不是簡單的材料替代，而是需要設(shè)計(jì)、制造和材料研究人員針對(duì)特定的結(jié)構(gòu)，共同選擇和確定材料的組分比例與取向、制件的形狀和質(zhì)量等，使材料和制件在同一工藝操作過程中達(dá)到整體優(yōu)化。

      隨著復(fù)合材料3D設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)制造一體化思想的形成和不斷成熟，復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)部件將實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇的真正融合，綜合性能潛力將得到充分發(fā)揮。