碳纖維復材在航空發動機上的應用與沖擊損傷問題分析

摘要：碳纖維增強復合材料于先進航空發動機的應用日趨廣泛，其應用比例持續上升且種類愈發多樣。但發動機復雜的工作環境及復材的特定應用部位，使其常面臨外物沖擊，導致結構受損，承載能力下降。通過梳理碳纖維復材在航空發動機上的應用現狀，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，揭示了不同沖擊能量下損傷模式及演化規律，為其在航空發動機領域的應用研究提供了參考。

關鍵詞：航空發動機""碳纖維增強復合材料""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

大涵道比渦扇發動機具備耗油率低、推重比高等特性，是當前商用客機與大型運輸機常用的動力來源。隨著渦扇發動機推力持續提升，涵道比也不斷增大，如GE90發動機的風扇的直徑已達到"3.251"m，與一架中型客機的機艙截面寬度相近。過大的風扇直徑使其在自身重量、結構安裝，以及轉子動力學設計等方面面臨更為棘手的難題，同時也致使發動機總重量增加，影響經濟性。所以，采用先進的復合材料，特別是碳纖維增強樹脂基復合材料，能夠降低發動機重量，改善因風扇集中質量過大引發的轉子支撐與動力學問題，降低設計難度，提升發動機性能[1-3]。

眾所周知，碳纖維增強復合材料具有高比強度、高比剛度、良好的振動特性、損傷容限能力等優勢，然而在發動機應用環境下，尤其是作為風扇葉片[4]、風扇機匣、外涵機匣等外部結構時，難以承受可能出現的外物沖擊，產生的分層、纖維斷裂等損傷會對結構的剩余強度產生不可忽視的影響。因此，對纖維增強復合材料的沖擊損傷問題展開分析探討，對其在航空發動機中的可靠應用具有重要意義。

本文闡述了碳纖維增強復合材料在航空發動機上的應用現狀，并著重針對其面臨的沖擊損傷問題結合高速沖擊試驗進行了分析與討論。

1"碳纖維復材在航空發動機中的應用

1.1航空發動機碳纖維復材應用現狀

碳纖維增強復合材料是通過碳纖維鋪層或編織后用樹脂浸潤固化而成，在常溫條件下力學性能穩定，還可通過不同的鋪層設計出具有各向異性承載效果的材料，定制化地滿足航空發動機不同部位的傳力要求。當前，世界知名的航空發動機公司，如美國通用公司（GE）、英國羅·羅公司、美國普惠公司等，均已在主要渦扇發動機產品的風扇葉片、風扇機匣等結構中大量使用碳纖維增強復合材料。

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動機，均使用了碳纖維復合材料加工的風扇葉片（如圖1所示），此外碳纖維復合材料在CFM56、V2500等較小直徑的渦扇發動機風扇葉片中也有應用。常用于風扇葉片的復合材料增強體類型包括單向帶類織物、三維機織物等。例如：GE90、GE9X、GEnx、TRENT1000都采用了鋪層復合材料葉片，以單向帶類織物作為預浸料；LEAP-X發動機風扇葉片則采用三維機織復合材料。

相較于風扇葉片，碳纖維復合材料應用于風扇機匣、外涵機匣等部位時，無需承受較大的徑向力、氣動扭轉變形，以及風扇工作循環產生的疲勞載荷，同時遭受迎風面外物沖擊的概率也有所降低，但需要考慮發動機總體傳力、包容等性能。由于對各向異性承力要求降低，機匣所使用的碳纖維復材增強體更多地采用二維三軸編織物或三維編織物，如GEnx發動機采用了二維三軸復合材料機匣；GE9x、LEAP-X發動機則采用了三維機織復合材料。值得一提的是，機匣使用的復合材料中，并非僅有碳纖維增強復合材料一種，如GE90、TRENT系列發動機就使用了外部纏繞芳綸織物的金屬復材機匣。

1.2航空發動機碳纖維復材沖擊問題

任何載荷均由使用場景決定。風扇葉片面臨的主要沖擊問題是發動機服役過程中受到的由飛鳥、冰雹、冰片、沙石等外物引發的沖擊。這些沖擊物在質量、大小、形狀與硬度上各不相同，但對風扇葉片都有較為嚴重的危害。沖擊能量較高時，可能瞬間導致葉片結構損傷或斷裂，使葉片失去承載能力；而沖擊能量較低時，復合材料的內部分層、表面纖維斷裂也可能隨著葉片的工作快速演化，或對轉子的不平衡量產生較大影響，危害發動機的安全運轉。對于機匣而言，更為典型的沖擊條件是由葉片脫落導致的，通常研究機匣的包容性問題[6]。

風扇葉片和機匣使用碳纖維復合材料需要滿足適航條款中的規定。根據《航空發動機適航標準》（CCAR-33），要求風扇葉片在遭受2.5"磅的鳥體沖擊后20min"內，發動機必須能保持"75%"的起飛推力；在發生風扇葉片飛出事件時不能有非包容碎片飛出發動機，并且發動機在15"s內不能起火。因此，為使碳纖維復合材料能夠在航空發動機中安全使用，需要從損傷機理、抗沖擊性能預測等多方面開展研究，制定相應的設計標準與考核方法。

2"碳纖維復材沖擊損傷分析

2.1"沖擊試驗

為了解碳纖維復合材料在沖擊條件下的損傷規律，采用典型碳纖維層板開展元件級沖擊損傷試驗。沖擊試驗所用的碳纖維復合材料采用二維編織預浸料鋪疊形成，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，通過壓縮空氣炮發射，并在炮膛出口通過紅外測速儀測量出射速度，沖擊能量控制在200～350"J范圍內。

2.2"沖擊損傷結果分析

根據試驗結果，該試驗的沖擊速度范圍包含了試樣的彈道極限，分別出現了彈丸反彈、嵌入和穿透三種沖擊結果（如圖2所示）。

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

對試樣進行超聲波無損檢查，分層情況如表1所示。分層面積及最大直徑均為嵌入時最大，反彈時次之，而穿透時最低。

由圖2可以看出，在不同的沖擊能量下，碳纖維復合材料的損傷模式與演化規律發生了改變。當沖擊能量較低時，彈丸不足以穿透試樣，沖擊能量絕大部分被試樣吸收，表層出現纖維剪切斷裂，深層則出現層間分層；當能量升高時，彈丸嵌入試樣中，沖擊能量全部被試樣吸收，此時，2種損傷模式程度同時加強，發生剪切斷裂的材料層數增加，且分層情況加劇；而能量進一步升高后，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，損傷模式發生變化，材料受剪切斷裂的比例增加，而分層擴展情況減弱。

2.2"沖擊損傷模式變化規律

由于碳纖維復材由增強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。當彈丸未達到材料的彈道極限速度時，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展使能量逐漸耗散。

因此，碳纖維復合材料層板的沖擊損傷模式隨著沖擊能量的升高，表現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變。

在開展發動機碳纖維復材結構設計時，應結合沖擊損傷模式變化規律，考慮沖擊條件下的結構完整性與剩余強度。

3結論

本文通過分析碳纖維復合材料在航空發動機上的使用部位與工作環境，結合典型碳纖維層板沖擊試驗，得出以下結論。

（1）碳纖維復材于航空發動機多部位廣泛應用，應根據應用部位承載特性選擇不同增強體類型。

（2）碳纖維復材層板的沖擊損傷模式隨沖擊能量升高，表現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變的規律。

（3）對不同部位復材結構，應結合沖擊損傷模式變化規律，開展相應的抗沖擊問題研究，提升復材結構的剩余強度、安全性與可靠性。

參考文獻

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