碳纖維復(fù)材在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用與沖擊損傷問題分析

摘要：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用日趨廣泛，其應(yīng)用比例持續(xù)上升且種類愈發(fā)多樣。但發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜的工作環(huán)境及復(fù)材的特定應(yīng)用部位，使其常面臨外物沖擊，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損，承載能力下降。通過梳理碳纖維復(fù)材在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了可能遭受的沖擊問題類型，開展了典型碳纖維層板沖擊試驗(yàn)，揭示了不同沖擊能量下?lián)p傷模式及演化規(guī)律，為其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供了參考。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)""碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料""層合板""沖擊損傷""損傷模式

Analysis"of"the"Application"and"Impact"Damage"Problems"of"Carbon"Fiber"Composites"in"Aircraft"Engines

HUANG"Wenbo""XU"Yanyun""YAN"Hao""WANG"Sai

AECC"Hunan"Aviation"Powerplant"Research"Institute，"Zhuzhou，"Hu’nan"Province，"412002"China

Abstract："The"application"of"carbon"fiber"reinforced"composite"materials"in"advanced"aircraft"engines"is"becoming"increasingly"widespread."The"application"proportion"continues"to"rise"and"the"types"are"becoming"more"diverse."However，"due"to"the"complex"working"environment"of"the"engine"and"the"specific"application"parts"of"the"composite"material，"it"often"faces"external"object"impacts，"resulting"in"structural"damage"and"a"decrease"in"bearing"capacity."By"sorting"out"the"application"status"of"carbon"fiber"composites"in"aircraft"engines，"it"analyzes"the"types"of"possible"impact"problems，"and"conducts"impact"tests"on"typical"carbon"fiber"laminates，"reveals"the"damage"modes"and"evolution"laws"under"different"impact"energies，"providing"a"reference"for"its"application"research"in"the"field"of"aircraft"engines.

Key"Words："Aircraft"engine;"Carbon"fiber"reinforced"composites;"Laminates;"Impact"damage;"Damage"mode

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)具備耗油率低、推重比高等特性，是當(dāng)前商用客機(jī)與大型運(yùn)輸機(jī)常用的動(dòng)力來源。隨著渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推力持續(xù)提升，涵道比也不斷增大，如GE90發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇的直徑已達(dá)到"3.251"m，與一架中型客機(jī)的機(jī)艙截面寬度相近。過大的風(fēng)扇直徑使其在自身重量、結(jié)構(gòu)安裝，以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)等方面面臨更為棘手的難題，同時(shí)也致使發(fā)動(dòng)機(jī)總重量增加，影響經(jīng)濟(jì)性。所以，采用先進(jìn)的復(fù)合材料，特別是碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量，改善因風(fēng)扇集中質(zhì)量過大引發(fā)的轉(zhuǎn)子支撐與動(dòng)力學(xué)問題，降低設(shè)計(jì)難度，提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能[1-3]。

眾所周知，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、良好的振動(dòng)特性、損傷容限能力等優(yōu)勢(shì)，然而在發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用環(huán)境下，尤其是作為風(fēng)扇葉片[4]、風(fēng)扇機(jī)匣、外涵機(jī)匣等外部結(jié)構(gòu)時(shí)，難以承受可能出現(xiàn)的外物沖擊，產(chǎn)生的分層、纖維斷裂等損傷會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度產(chǎn)生不可忽視的影響。因此，對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的沖擊損傷問題展開分析探討，對(duì)其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的可靠應(yīng)用具有重要意義。

本文闡述了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，并著重針對(duì)其面臨的沖擊損傷問題結(jié)合高速?zèng)_擊試驗(yàn)進(jìn)行了分析與討論。

1"碳纖維復(fù)材在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

1.1航空發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維復(fù)材應(yīng)用現(xiàn)狀

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是通過碳纖維鋪層或編織后用樹脂浸潤(rùn)固化而成，在常溫條件下力學(xué)性能穩(wěn)定，還可通過不同的鋪層設(shè)計(jì)出具有各向異性承載效果的材料，定制化地滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位的傳力要求。當(dāng)前，世界知名的航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司，如美國(guó)通用公司（GE）、英國(guó)羅·羅公司、美國(guó)普惠公司等，均已在主要渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇機(jī)匣等結(jié)構(gòu)中大量使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

其中較為典型的代表有GE90系列、GEnx、TRENT1000、TRENT-XWB[5]、PW1000G、LEAP系列等大型商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，均使用了碳纖維復(fù)合材料加工的風(fēng)扇葉片（如圖1所示），此外碳纖維復(fù)合材料在CFM56、V2500等較小直徑的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片中也有應(yīng)用。常用于風(fēng)扇葉片的復(fù)合材料增強(qiáng)體類型包括單向帶類織物、三維機(jī)織物等。例如：GE90、GE9X、GEnx、TRENT1000都采用了鋪層復(fù)合材料葉片，以單向帶類織物作為預(yù)浸料；LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片則采用三維機(jī)織復(fù)合材料。

相較于風(fēng)扇葉片，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于風(fēng)扇機(jī)匣、外涵機(jī)匣等部位時(shí)，無需承受較大的徑向力、氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)變形，以及風(fēng)扇工作循環(huán)產(chǎn)生的疲勞載荷，同時(shí)遭受迎風(fēng)面外物沖擊的概率也有所降低，但需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)總體傳力、包容等性能。由于對(duì)各向異性承力要求降低，機(jī)匣所使用的碳纖維復(fù)材增強(qiáng)體更多地采用二維三軸編織物或三維編織物，如GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)采用了二維三軸復(fù)合材料機(jī)匣；GE9x、LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)則采用了三維機(jī)織復(fù)合材料。值得一提的是，機(jī)匣使用的復(fù)合材料中，并非僅有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一種，如GE90、TRENT系列發(fā)動(dòng)機(jī)就使用了外部纏繞芳綸織物的金屬?gòu)?fù)材機(jī)匣。

1.2航空發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維復(fù)材沖擊問題

任何載荷均由使用場(chǎng)景決定。風(fēng)扇葉片面臨的主要沖擊問題是發(fā)動(dòng)機(jī)服役過程中受到的由飛鳥、冰雹、冰片、沙石等外物引發(fā)的沖擊。這些沖擊物在質(zhì)量、大小、形狀與硬度上各不相同，但對(duì)風(fēng)扇葉片都有較為嚴(yán)重的危害。沖擊能量較高時(shí)，可能瞬間導(dǎo)致葉片結(jié)構(gòu)損傷或斷裂，使葉片失去承載能力；而沖擊能量較低時(shí)，復(fù)合材料的內(nèi)部分層、表面纖維斷裂也可能隨著葉片的工作快速演化，或?qū)D(zhuǎn)子的不平衡量產(chǎn)生較大影響，危害發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于機(jī)匣而言，更為典型的沖擊條件是由葉片脫落導(dǎo)致的，通常研究機(jī)匣的包容性問題[6]。

風(fēng)扇葉片和機(jī)匣使用碳纖維復(fù)合材料需要滿足適航條款中的規(guī)定。根據(jù)《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-33），要求風(fēng)扇葉片在遭受2.5"磅的鳥體沖擊后20min"內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)必須能保持"75%"的起飛推力；在發(fā)生風(fēng)扇葉片飛出事件時(shí)不能有非包容碎片飛出發(fā)動(dòng)機(jī)，并且發(fā)動(dòng)機(jī)在15"s內(nèi)不能起火。因此，為使碳纖維復(fù)合材料能夠在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中安全使用，需要從損傷機(jī)理、抗沖擊性能預(yù)測(cè)等多方面開展研究，制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與考核方法。

2"碳纖維復(fù)材沖擊損傷分析

2.1"沖擊試驗(yàn)

為了解碳纖維復(fù)合材料在沖擊條件下的損傷規(guī)律，采用典型碳纖維層板開展元件級(jí)沖擊損傷試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)所用的碳纖維復(fù)合材料采用二維編織預(yù)浸料鋪疊形成，材料為正交各向異性。鋪層后的材料被切割為100"mm"×100"mm的方形試樣，并通過夾具固定。

沖擊物選用鋼制彈丸，通過壓縮空氣炮發(fā)射，并在炮膛出口通過紅外測(cè)速儀測(cè)量出射速度，沖擊能量控制在200～350"J范圍內(nèi)。

2.2"沖擊損傷結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該試驗(yàn)的沖擊速度范圍包含了試樣的彈道極限，分別出現(xiàn)了彈丸反彈、嵌入和穿透三種沖擊結(jié)果（如圖2所示）。

隨著沖擊速度的增加，3種沖擊結(jié)果依次發(fā)生。可以看出，在彈丸入射面上，材料的損傷是一個(gè)近似圓孔，周圍材料斷裂均勻，損傷并未在表層擴(kuò)展；在彈丸出射面，損傷面積較入射面增大，且呈現(xiàn)出近似十字交叉狀的裂紋。通過側(cè)面圖片可以發(fā)現(xiàn)，出射面的材料隆起高度在嵌入時(shí)最高，反彈時(shí)次之，而穿透時(shí)最低。

對(duì)試樣進(jìn)行超聲波無損檢查，分層情況如表1所示。分層面積及最大直徑均為嵌入時(shí)最大，反彈時(shí)次之，而穿透時(shí)最低。

由圖2可以看出，在不同的沖擊能量下，碳纖維復(fù)合材料的損傷模式與演化規(guī)律發(fā)生了改變。當(dāng)沖擊能量較低時(shí)，彈丸不足以穿透試樣，沖擊能量絕大部分被試樣吸收，表層出現(xiàn)纖維剪切斷裂，深層則出現(xiàn)層間分層；當(dāng)能量升高時(shí)，彈丸嵌入試樣中，沖擊能量全部被試樣吸收，此時(shí)，2種損傷模式程度同時(shí)加強(qiáng)，發(fā)生剪切斷裂的材料層數(shù)增加，且分層情況加劇；而能量進(jìn)一步升高后，彈丸迅速侵徹而過，仍保有一定剩余能量，試樣僅吸收了一部分沖擊能量，此時(shí)，損傷模式發(fā)生變化，材料受剪切斷裂的比例增加，而分層擴(kuò)展情況減弱。

2.2"沖擊損傷模式變化規(guī)律

由于碳纖維復(fù)材由增強(qiáng)纖維與基體兩部分組成，纖維的拉伸或剪切斷裂較基體破壞更為困難。當(dāng)彈丸未達(dá)到材料的彈道極限速度時(shí)，沖擊能量并不足以造成纖維斷裂，僅能通過基體材料的損傷擴(kuò)展使能量逐漸耗散。

因此，碳纖維復(fù)合材料層板的沖擊損傷模式隨著沖擊能量的升高，表現(xiàn)出從大面積分層與纖維拉伸斷裂向小面積分層與纖維剪切斷裂轉(zhuǎn)變，在厚度方向從纖維剪切斷裂到拉伸斷裂、從基體壓潰到分層破壞轉(zhuǎn)變。

在開展發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維復(fù)材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合沖擊損傷模式變化規(guī)律，考慮沖擊條件下的結(jié)構(gòu)完整性與剩余強(qiáng)度。

3結(jié)論

本文通過分析碳纖維復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用部位與工作環(huán)境，結(jié)合典型碳纖維層板沖擊試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

（1）碳纖維復(fù)材于航空發(fā)動(dòng)機(jī)多部位廣泛應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用部位承載特性選擇不同增強(qiáng)體類型。

（2）碳纖維復(fù)材層板的沖擊損傷模式隨沖擊能量升高，表現(xiàn)出從大面積分層與纖維拉伸斷裂向小面積分層與纖維剪切斷裂轉(zhuǎn)變，在厚度方向從纖維剪切斷裂到拉伸斷裂、從基體壓潰到分層破壞轉(zhuǎn)變的規(guī)律。

（3）對(duì)不同部位復(fù)材結(jié)構(gòu)，應(yīng)結(jié)合沖擊損傷模式變化規(guī)律，開展相應(yīng)的抗沖擊問題研究，提升復(fù)材結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度、安全性與可靠性。

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