航空发动机中的那些非金属材料

2017-04-14 09:26:22 作者：本网整理来源：热喷涂与再制造分享至：

    航空发动机以金属材料为主，但随着材料科学的发展，非金属材料如陶瓷、复合材料等越来越多地被运用到发动机设计中。这些非金属材料不仅仅是金属材料的替代品，有些甚至成为了不可替代的独立使用的材料。本文就对非金属材料中的一类——高分子材料进行简单的介绍。

    高分子材料又称高聚物、聚合物材料。按照其来源可分为天然高分子材料（存在于动植物中）与合成高分子材料。两者相比，合成高分子材料更轻，耐磨性、抗腐蚀性、绝缘性更好。按照机械性能及使用状态又可分为橡胶、塑料、合成纤维、胶黏剂、涂料五类，下面一一进行介绍。

    一、塑料

    提起塑料，人们的第一反应是日常使用的塑料制品。其实塑料可分为三种：通用塑料、工程塑料、特种塑料。

    通用塑料就是我们日常使用的塑料，主要包括：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料、氨基塑料等。这六类占据了塑料产量的3/4以上。

    工程塑料指可以作为结构材料用于工程结构中的塑料。这类塑料包括：聚酰胺、聚甲醛、有机玻璃、聚碳酸酯、ABS、聚苯醚、氟塑料等。这些塑料种类具有较好的机械性能和加工稳定性，且耐热性、耐腐蚀性、耐磨性、绝缘性比通用塑料更好，在航空领域可用于盖板、手柄、管接头、套筒、胶带、密封环、隔膜、电线电缆包覆等。

    特种塑料指具有某些特殊性能的塑料，多用于特殊场合，如医疗等，这里不做具体介绍。

    二、橡胶

    橡胶是具有高弹性的线性高分子材料，一般在-40℃至80℃范围内都具有高弹性，有些甚至在-100℃或200℃时依然能保持高弹性。其弹性模量很低，变形量通常可达到100%-1000%。除了高弹性外，橡胶还具有良好的耐磨、隔音、绝缘性能，工程中可用于密封、减震、传动等。

    橡胶的性能受温度影响较大，有时需加入其它元素以保证其性能，如橡皮就是橡胶硫化后的产物。

图1 航空发动机橡胶密封圈

    三、合成纤维

    纤维指能够保持长度比直径大100倍以上的均匀条状或丝状的高分子材料，可分为天然纤维和化学纤维两大类，化学纤维又可分为人造纤维和合成纤维。人造纤维指用自然界的纤维加工制成，如人造丝、人造棉等；合成纤维指用石油、煤、天然气制成，如尼龙、涤纶、腈纶、丙纶等。合成纤维除了在生活中用于织物外，利用其良好的耐磨性、耐久性、耐腐蚀性，在航空发动机中也应用。

    四、合成胶黏剂

    胶黏剂通俗叫法为胶，用于零件的粘结。由于其操作简单，接头处应力分布均匀，密封性、绝缘性、耐腐蚀性较好，因此在航空发动机领域有较多的应用。

    同样，胶黏剂分为两类：自然胶黏剂和合成胶黏剂，其中合成胶黏剂应用更为广泛。在使用中，不同的材料需选用不同的合成胶黏剂，两种不同的材料胶接时需选用共同适用的胶黏剂。不同的胶黏剂使用方法也不同，有的需要控制温度，有的需要先溶入易挥发溶液中。

    五、涂料

    涂料是一种有机高分子胶体的混合溶液，涂在零部件表面以形成膜。涂料的作用除了美观外，还可以起到抗氧化、绝缘、隔热、耐磨、抗腐蚀等作用。

    涂料由粘结剂、颜料、溶剂和其他辅助材料组成。粘结剂用于牢固膜和被涂物；颜料除了上色还可以提高膜的强度、耐磨性、耐腐蚀性；溶剂用于稀释涂料，便于涂抹；辅助材料包括催干剂、增塑剂、固化剂、稳定剂等。

    涂料在航空发动机的各个部位均有应用，常见的涂料包括：环氧树脂涂料、聚氨酯涂料、有机硅涂料等。

    六、复合材料

    除了高分子材料外，复合材料在航空发动机中也有所应用，且越来越广泛。

    复合材料是指由两种或两种以上化学本质不同的材料通过人工合成形成的材料。其结构为多相，一类为基体，另一类为增强相。这种多相混合结构使得材料在性能上产生互补，达到一加一大于二的效果，综合性能优于各组成相。

    复合材料按基体类型可分为金属基复合材料、高分子基复合材料、陶瓷基复合材料，目前前两类复合材料应用较多；若按材料性能可分为功能复合材料和结构复合材料。功能复合材料指除机械性能以外还提供其他物理性能的复合材料。结构复合材料指以承受力的作用为主要用途的复合材料。在航空领域后者应用较多；若按增强相的种类和形状又可分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料、层状增强复合材料。目前常见的为纤维增强复合材料，如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等。

    复合材料拥有许多优秀的性能，同时重量又轻，因此在航空领域备受青睐。下面简单介绍复合材料的一些特点。

    一、比强度和比模量

    航空领域，许多设备和结构不但要求强度高，还需要重量轻。这就要求使用比强度（强度/比重）和比模量（弹性模量/比重）高的材料。复合材料的这两个参数都较为优秀，可以满足设计要求，如由碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其强度是钢的7倍，比模量比钢大3倍。

    二、耐疲劳性能

    复合材料的疲劳破坏是从承载能力比较薄弱的纤维处开始，逐渐扩展到基体与纤维结合面上。但基体与增强纤维间的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展，因此复合材料的疲劳极限较高。如碳纤维与聚酯树脂组成的复合材料，其疲劳极限是抗拉强度的70-80%，而金属材料的疲劳极限只有抗拉强度的40-50%。

    三、减震性能

    由于纤维与基体的界面吸振能力强，因此复合材料的阻尼特性较好，在发生振动时会加快衰减。同时，由于复合材料比模量大，提高了其固有频率，在一定程度上可避免在工作状态下产生共振。

    四、耐高温性能

    由于增强纤维在高温下仍然可保持一定的强度，因此由增强纤维进行增强的复合材料也继承了耐高温的特性，尤其是金属基复合材料。例如由硼纤维或碳纤维增强的金属基复合材料，在400℃时其强度和弹性模量与常温时比基本相同。

    五、断裂安全性

    由于复合材料拥有特殊结构，每平方厘米可能拥有上万根增强纤维，在一部分增强纤维断裂时，应力会重新分布于未断裂的纤维上，因此断裂安全性较好。

    目前，复合材料在航空发动机上虽依然无法撼动金属材料的地位，但也已有一定的应用，且比例逐步提高。如复合材料风扇叶片、复合材料机匣、导管、复合材料铺层等等，都是近些年的应用成果。但这同时也对复合材料部件如何满足适航规章提出了更高了要求，除了提高复合材料在航空发动机上的应用比例外，在复合材料适航符合性验证方面也需要工业方以及审查方共同进行更深入的探索。