航空發動機中的那些非金屬材料

原文：【科技創新】航空發動機材料介紹：非金屬材料（一）

航空發動機以金屬材料為主，但隨著材料科學的發展，非金屬材料如陶瓷、複合材料等越來越多地被運用到發動機設計中。這些非金屬材料不僅僅是金屬材料的替代品，有些甚至成為了不可替代的獨立使用的材料。本文就對非金屬材料中的一類——高分子材料進行簡單的介紹。

高分子材料又稱高聚物、聚合物材料。按照其來源可分為天然高分子材料（存在於動植物中）與合成高分子材料。兩者相比，合成高分子材料更輕，耐磨性、抗腐蝕性、絕緣性更好。按照機械性能及使用狀態又可分為橡膠、塑料、合成纖維、膠黏劑、塗料五類，下面一一進行介紹。

一、塑料

提起塑料，人們的第一反應是日常使用的塑料製品。其實塑料可分為三種：通用塑料、工程塑料、特種塑料。

通用塑料就是我們日常使用的塑料，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。這六類佔據了塑料產量的3/4以上。

工程塑料指可以作為結構材料用於工程結構中的塑料。這類塑料包括：聚醯胺、聚甲醛、有機玻璃、聚碳酸酯、ABS、聚苯醚、氟塑料等。這些塑料種類具有較好的機械性能和加工穩定性，且耐熱性、耐腐蝕性、耐磨性、絕緣性比通用塑料更好，在航空領域可用於蓋板、手柄、管接頭、套筒、膠帶、密封環、隔膜、電線電纜包覆等。

特種塑料指具有某些特殊性能的塑料，多用於特殊場合，如醫療等，這裡不做具體介紹。

二、橡膠

橡膠是具有高彈性的線性高分子材料，一般在-40℃至80℃範圍內都具有高彈性，有些甚至在-100℃或200℃時依然能保持高彈性。其彈性模量很低，變形量通常可達到100%-1000%。除了高彈性外，橡膠還具有良好的耐磨、隔音、絕緣性能，工程中可用於密封、減震、傳動等。

橡膠的性能受溫度影響較大，有時需加入其它元素以保證其性能，如橡皮就是橡膠硫化后的產物。

圖1 航空發動機橡膠密封圈

三、合成纖維

纖維指能夠保持長度比直徑大100倍以上的均勻條狀或絲狀的高分子材料，可分為天然纖維和化學纖維兩大類，化學纖維又可分為人造纖維和合成纖維。人造纖維指用自然界的纖維加工製成，如人造絲、人造棉等；合成纖維指用石油、煤、天然氣製成，如尼龍、滌綸、腈綸、丙綸等。合成纖維除了在生活中用於織物外，利用其良好的耐磨性、耐久性、耐腐蝕性，在航空發動機中也應用。

四、合成膠黏劑

膠黏劑通俗叫法為膠，用於零件的粘結。由於其操作簡單，接頭處應力分佈均勻，密封性、絕緣性、耐腐蝕性較好，因此在航空發動機領域有較多的應用。

同樣，膠黏劑分為兩類：自然膠黏劑和合成膠黏劑，其中合成膠黏劑應用更為廣泛。在使用中，不同的材料需選用不同的合成膠黏劑，兩種不同的材料膠接時需選用共同適用的膠黏劑。不同的膠黏劑使用方法也不同，有的需要控制溫度，有的需要先溶入易揮發溶液中。

五、塗料

塗料是一種有機高分子膠體的混合溶液，塗在零部件表面以形成膜。塗料的作用除了美觀外，還可以起到抗氧化、絕緣、隔熱、耐磨、抗腐蝕等作用。

塗料由粘結劑、顏料、溶劑和其他輔助材料組成。粘結劑用於牢固膜和被塗物；顏料除了上色還可以提高膜的強度、耐磨性、耐腐蝕性；溶劑用於稀釋塗料，便於塗抹；輔助材料包括催干劑、增塑劑、固化劑、穩定劑等。

塗料在航空發動機的各個部位均有應用，常見的塗料包括：環氧樹脂塗料、聚氨酯塗料、有機硅塗料等。

原文：【科技創新】航空發動機材料介紹：非金屬材料（二）

除了高分子材料外，複合材料在航空發動機中也有所應用，且越來越廣泛。

複合材料是指由兩種或兩種以上化學本質不同的材料通過人工合成形成的材料。其結構為多相，一類為基體，另一類為增強相。這種多相混合結構使得材料在性能上產生互補，達到一加一大於二的效果，綜合性能優於各組成相。

複合材料按基體類型可分為金屬基複合材料、高分子基複合材料、陶瓷基複合材料，目前前兩類複合材料應用較多；若按材料性能可分為功能複合材料和結構複合材料。功能複合材料指除機械性能以外還提供其他物理性能的複合材料。結構複合材料指以承受力的作用為主要用途的複合材料。在航空領域後者應用較多；若按增強相的種類和形狀又可分為顆粒增強複合材料、纖維增強複合材料、層狀增強複合材料。目前常見的為纖維增強複合材料，如玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、SiC纖維等。

複合材料擁有許多優秀的性能，同時重量又輕，因此在航空領域備受青睞。下面簡單介紹複合材料的一些特點。

一、比強度和比模量

航空領域，許多設備和結構不但要求強度高，還需要重量輕。這就要求使用比強度（強度/比重）和比模量（彈性模量/比重）高的材料。複合材料的這兩個參數都較為優秀，可以滿足設計要求，如由碳纖維和環氧樹脂組成的複合材料，其強度是鋼的7倍，比模量比鋼大3倍。

二、耐疲勞性能

複合材料的疲勞破壞是從承載能力比較薄弱的纖維處開始，逐漸擴展到基體與纖維結合面上。但基體與增強纖維間的界面能夠有效地阻止疲勞裂紋的擴展，因此複合材料的疲勞極限較高。如碳纖維與聚酯樹脂組成的複合材料，其疲勞極限是抗拉強度的70-80%，而金屬材料的疲勞極限只有抗拉強度的40-50%。

三、減震性能

由於纖維與基體的界面吸振能力強，因此複合材料的阻尼特性較好，在發生振動時會加快衰減。同時，由於複合材料比模量大，提高了其固有頻率，在一定程度上可避免在工作狀態下產生共振。

四、耐高溫性能

由於增強纖維在高溫下仍然可保持一定的強度，因此由增強纖維進行增強的複合材料也繼承了耐高溫的特性，尤其是金屬基複合材料。例如由硼纖維或碳纖維增強的金屬基複合材料，在400℃時其強度和彈性模量與常溫時比基本相同。

五、斷裂安全性

由於複合材料擁有特殊結構，每平方厘米可能擁有上萬根增強纖維，在一部分增強纖維斷裂時，應力會重新分佈於未斷裂的纖維上，因此斷裂安全性較好。

目前，複合材料在航空發動機上雖依然無法撼動金屬材料的地位，但也已有一定的應用，且比例逐步提高。如複合材料風扇葉片、複合材料機匣、導管、複合材料鋪層等等，都是近些年的應用成果。但這同時也對複合材料部件如何滿足適航規章提出了更高了要求，除了提高複合材料在航空發動機上的應用比例外，在複合材料適航符合性驗證方面也需要工業方以及審查方共同進行更深入的探索。

圖1 GE90複合材料風扇葉片