加快復合材料技術發展 助力國產航空動力研制

■ 焦健 / 中國航發航材院

“材料是航空發動機研制的基礎，發動機性能的改進一半靠材料”。隨著航空發動機部件向著輕質化、耐高溫、高可靠性的方向發展，大量采用性能優異的復合材料已是必然之選。例如，樹脂基復合材料因其具有高比強度、高比模量、優良的耐疲勞及耐腐蝕性能，可廣泛用于發動機冷端部件（如機匣、風扇葉片、短艙等）；金屬基復合材料則融合了陶瓷高強度、耐磨損和金屬材料的高韌性等性能優勢，可用于壓氣機葉環、渦輪軸等部件；陶瓷基復合材料在采用陶瓷纖維對陶瓷基體進行補強增韌后，克服了陶瓷脆性大、對裂紋敏感等不足，使其具有類似金屬的“假塑性”斷裂行為，其密度僅為傳統高溫合金的1/4～1/3，而耐溫能力則高出約200℃，在減輕結構質量和提高燃燒效率方面具有無可比擬的優勢，尤其適用于發動機燃燒室、渦輪、噴管等熱端部件。

目前，先進的航空發動機無不大量使用各類復合材料，如推力最大的GE9X商用發動機，采用樹脂基復合材料制備的風扇葉片厚度薄、質量輕、數量少，使風扇運行更高效，耗油率大幅降低；而可用作美國第六代戰斗機提高動力的XA100自適應循環發動機，其關鍵技術之一即是在熱端部件大量使用了輕質耐溫的陶瓷基復合材料，由此奠定了GE公司在軍用發動機競爭中的優勢地位。

對標國際先進水平，復合材料在國產發動機上的應用范圍和占比均存在較大差距，嚴重制約了發動機性能的提升。為加快航空發動機用復合材料技術發展，建議從以下幾個方面突破。

一是大力推進材料制造與部件設計的深度融合，創新管理辦法，建立聯合研發團隊，形成長效聯動機制，增強協同攻關能力，實現制造工藝和設計技術水平的雙向提升。

二是建立完善發動機復合材料譜系和性能數據庫，進一步梳理材料體系，優選牌號類型，系統開展“積木式”驗證試驗，明確測試評價與考核驗證方法，掌握復合材料損傷失效模式，建立復合材料構件的設計準則。

三是系統策劃全產業鏈布局，持續推進關鍵原材料（如陶瓷纖維）的性能優化升級，并推動關鍵制造工藝裝備的國產化，確保自主保障能力，同步發展低成本短周期制造技術、高效精密加工技術、復合材料連接裝配技術、高性能涂層技術、檢測評價技術等，形成多管齊下、齊頭并進的發展局面，實現航空發動機用復合材料產業鏈的全貫通和全覆蓋。