先进炭基复合材料研究和应用现状.ppt

先进炭基复合材料研究和应用现状及发展趋势 北京航空航天大学 罗瑞盈 先进复合材料的发展趋势 设计、功能和制备一体化 低成本化（缩短制备周期、采用高性能低成本关键原材料） 关键使用性能进一步提高 性能及微观结构表征规范建立 再生修复技术 　　 炭刹车盘替代传统钢刹车盘可获得显著减重和提高寿命的效果，国际上先进的大中型飞机和高性能军机均采用了炭刹车装置。 国内现有炭盘存在的主要问题 北航在先进炭基复合飞机刹车材料方面开展的工作 通过了大型地面动力试验考核验证，满足使用要求 现有发动机热端部件材料存在的问题 新一代发动机用先进炭基复合材料发展趋势 炭基复合材料再生修复 将无机胶的耐温性与有机胶的结构多样、易于改性结合起来，研制出复合材料用新型超高温粘接剂，兼有无机和有机两种粘接材料的优点。从室温到1700℃下均具有很高的粘接性能。 所制备的材料具有良好的摩擦磨损、力学和热物理性能 三、实验室的人才培养 四、国际合作 压气机转子结构演变趋势 榫头叶片+盘 整体叶盘 无盘转子 复合材料 三维编织 高温陶瓷和C-C复合材料燃烧室、涡轮和喷管等高温部件 树脂类复合材料风扇机匣 粉末冶金高压压气机盘 高温钛合金压气机叶片、机匣、作动筒、油管 双性能热处理涡轮盘 单晶涡轮叶片 金属间化合物喷管调节片 第一、二代发动机的主要结构件均为金属材料 第三代发动机开始应用复合材料及先进的制造技术 第四代发动机广泛应用复合材料及先进的制造技术 材料和工艺技术的发展促进了发动机更新换代 提高发动机的效率和性能，关键在于更进一步提高涡轮 前的进口温度，当推重比增加到15-20时，其热端工作温度 高达2000℃，要求材料的比强度比目前高5倍 随着时间的推移，热端工作温度提高的趋势却愈来愈缓慢， 已接近其极限工作温度 单晶高温合金，即使在强制冷却的条件下，叶片的最高工作 温度也不超过1300℃ 陶瓷基复合材料，最高使用温度也不超过1400℃ 下一代发动机材料必须寻求新的先进材料进行取代 炭基材料是目前公认为最具有发展前途高温结构材料之一 下一代发动机材料必将由先进炭基复合材料等取而代之 LTV 涡轮转子 普惠公司整体涡轮转子 炭基复合材料作为高温长时间使用的结构材料，用于制造 发动机热端部件，是目前世界上研究和发展的方向 世界发达国家均将炭基复合材料作为高温关键材料进行研究 我国新一代航空发动机，已确定选用这种材料制造喷口密封 片、调节片、内锥体等部件，并逐步应用于核心机受力转动 件上，如涡轮叶片、盘等，但目前在应用上还是空白 俄罗斯导向叶片 欧洲 C/C 样件 发动机转子外环 欧洲 CMC、C/C 用于EJ200发动机 燃烧室喷嘴、燃烧室火焰稳定器、尾喷调节片 美国 C/C，CMC 用于F100发动机，涡轮前温度提高167K；耗油率降低1－2％ 导向器、火焰稳定器、燃烧室、调节片 美国 C/C（涂层） 1780℃地面超转试验 用于F100发动机 涡轮叶片 整体涡轮盘 C/C（涂层） 材料 俄罗斯 在燃气下1500℃通过10小时试验未损坏 导向叶片、导向器 国家 应用或试验情况 高温部件名称 国外发动机用先进高温结构复合材料研究及应用现状 研发成功航空发动机用先进复合材料制备技术，制备出航空发动机密封片、调节片和密封环等高温热端构件，已达到地面长试验证阶段。 北航在发动机用先进复合材料方面所开展工作 航空发动机用复合材料密封片（减重49%） 镍基高温合金 航空发动机用复合材料密封环（减重78%） Carbon, 2011, 49 (1): 339-342 复合材料 复合材料 钛合金 航空发动机用复合材料涡轮叶片 （减重72%） 复合材料 镍基高温合金 航空发动机用复合材料涡扇 叶片 （减重40%） 航空发动机用复合材料轴承保持架(减重78%) 航空发动机用复合材料轴承保持架(减重79%) 航空发动机用复合材料内锥体 (减重80%) 二、北航在先进复合材料方面开展的工作 4、高温透波复合材料 随着航空航天技术的发展以及现代化战争的需要, 航空航天飞行器的飞行马赫数不断提高, 处于飞行器气动力和气动热最大最高位置的天线罩需承受的温度和热冲击越来越高, 因此高温透波材料成为研究重点。 研发成功了高温透波材料制备技术，制备出的透波材料具有稳定的高温介电性能、低的热膨胀系数和抗粒子云侵蚀等优点。 高温透波复合材料雷达天线罩 预制体 针对民航和空军的迫切要求，提出了飞机炭盘三合一深度高温粘接的新构思，研发成功了炭盘深度修复技术，经地面动力试验和装机试飞表明，修复