航空发动机作为现代航空飞行器的核心动力装置，其性能直接关乎飞机的飞行安全、运行可靠性以及航空工业的战略地位。随着全球航空运输量的持续增长和环境保护法规的日益严格，航空工业正朝着更高效率、更低油耗、更少排放的方向高速发展。在这一背景下，先进复合材料凭借其卓越的轻量化效果、优异的环境耐受性和出色的可设计性，已成为突破传统金属材料性能瓶颈、推动航空发动机技术革新的关键所在。中国航发沈阳发动机研究所沈尔明等在《航空材料学报》发表综述文章，系统梳理了先进复合材料在国外航空涡扇发动机上的应用现状与发展趋势，为我国航空发动机复合材料技术的基础研究、工程开发与产业化应用提供了重要的国际经验借鉴。
▏研究目的：探寻航空发动机性能突破的材料路径
航空发动机对性能的要求已步入“极限化”发展阶段，具体体现在对更高推重比、更优燃油经济性、更长使用寿命、更高环境适应性以及更低噪声与排放水平的综合性极致追求。然而，以钛合金、高温合金为代表的传统金属材料体系，在应对这一系列严苛需求时，其固有局限性日益凸显。尽管通过合金优化与工艺改进，金属材料性能已得到大幅提升，但材料密度较大导致的轻量化瓶颈、高温下力学性能的衰减、抗疲劳与蠕变性能提升空间的逐步减小，以及复杂部件成形加工的难度与成本限制，共同构成制约下一代高性能航空发动机发展的关键材料壁垒。
该研究旨在通过深入分析国外航空发动机在树脂基复合材料（PMC）、金属基复合材料（MMC）和陶瓷基复合材料（CMC）三大类先进复合材料的应用现状和研发进展，探讨其在提高发动机推重比和耐温性能等方面的技术优势。研究重点关注这些复合材料在风扇机匣、低压压气机、高压压气机、高压涡轮、低压涡轮和喷管等关键部件的具体应用，为航空发动机的设计哲学与制造范式变革提供理论支撑和技术参考。
一、航空发动机发展趋势与复合材料的战略地位
航空发动机是一种在高温、高压、高速旋转恶劣环境条件下长期可靠工作的复杂热力机械，其技术水平直接影响航空飞行器的使用性能和飞行安全。作为典型的技术密集型高科技产品，航空发动机是关系到国家安全、经济建设和科技发展的战略性产业，目前已形成年营业额高达400至500亿美元的高技术产业，推动了航空工业的蓬勃发展。
从航空发动机设计角度出发，要求其具有较高的起飞推力和推重比、尽可能低的巡航耗油率、较高的结构可靠性、较长的使用寿命、更方便简单的维修性、低污染物排放和噪声以及较宽的环境适应性等。这些设计要求是一系列矛盾的融合体，结构设计能力体现在如何综合采用各种技术措施合理处理好这些既相互关联又相互矛盾的设计要求。
复合材料凭借其高比强度和高比刚度的突出优势，完美契合了发动机对高推重比、低耗油率和低维修成本的核心需求，在航空发动机的低温、中温和高温部件都展现出显著的竞争优势。目前，GEAE、P&W、R&R、SAFRAN和IAE等欧美各主要发动机公司都在大力推进复合材料的工程化应用。
二、树脂基复合材料：冷端部件减重的理想选择
树脂基复合材料具有减振性能好、耐疲劳性高等特点，能够实现整体成型，在减轻结构质量的同时还能减少零件数量，进而实现整机大幅减重，提高推重比。采用树脂基复合材料制造零部件，较金属零部件可减重20%至50%，降低成本15%以上。根据耐温能力的差异，树脂基复合材料主要分为环氧树脂基、聚酰亚胺基和热塑性复合材料三大类。
2.1、环氧树脂基复合材料的广泛应用
风扇转子叶片是环氧树脂基复合材料最具代表性的应用领域。转子叶片作为发动机重要零件之一，直接影响发动机的气动性能、可靠性、推重比和制造成本。大涵道比发动机用风扇转子叶片尺寸较大，在承受较高的离心载荷、气动负荷、大气温差负荷及振动交变载荷的同时，还要受到沙石、冰雹、飞鸟等冲击。GEAE公司率先采用碳纤维增强增韧环氧树脂复合材料制造风扇转子叶片，在降低叶片质量的同时提高风扇进气效率，实现了复合材料在大涵道比涡扇发动机转动部件上的成功应用。
GE90-94B发动机风扇叶片采用Hexcel公司的8551-7高强度增韧改性环氧树脂作为基体材料，IM7碳纤维作为增强体，采用铺层工艺热压罐固化成型。为提高叶片抗大鸟撞击能力，将钛合金黏结在叶片边缘，这种结构在分散外物撞击能量的同时，还可防止复合材料叶片在高速旋转时发生分层。与钛合金叶片相比，复合材料叶片由于碳纤维的铺层结构增强强度，即使出现大缺口也不会出现裂纹快速扩展，同时具有较强的抗外物打伤能力。此外，树脂基复合材料的耐腐蚀、耐疲劳特性也降低了维护成本。
随着GE公司复合材料风扇叶片的广泛应用，全球范围内掀起了大涵道比发动机风扇转子叶片复材化的热潮。GEnx发动机采用与GE90-115B类似的3D后掠结构设计，叶片数量减少到18片；GE9X发动机进一步将叶片数量减少为16片。法国SAFRAN公司采用三维碳纤维编织和树脂传递模塑成型（RTM）工艺制造LEAP-X发动机风扇转子叶片，成为世界上首个通过外来物撞击试验的中小推力涡扇发动机用复合材料风扇转子叶片。英国R&R公司与GKN公司共同开发碳纤维风扇转子叶片用于Ultrafan发动机，采用复合材料叶片后，风扇系统预计可使每架飞机减轻近700kg，相当于减轻了7名乘客及其行李的质量。
风扇静子叶片方面，P&W公司采用Dow-UT公司研发的RTM工艺制造外涵静子组件，PW4084和PW4168发动机采用3M公司的PR500环氧树脂基复合材料风扇静子叶片，较钛合金减重39%，成本降低38%。
风扇机匣是复合材料应用的另一个重要领域。当叶片在高速旋转过程中异常脱落时，风扇机匣能阻止叶片碎片高能冲击，避免事故发生。早期发动机采用17-4PH不锈钢等高强高韧金属材料制造风扇机匣，质量超过300kg。GEAE公司的CF6-80C2发动机率先将芳纶纤维应用于风扇包容结构，带有环氧树脂基芳纶纤维复合材料包容结构的风扇机匣在保证包容性能的同时减重50%。GEnx发动机同时采用复合材料风扇叶片和全复合材料风扇机匣，包容效率提高约30%，风扇部件质量总体降低185kg，燃油效率相应提升15%，二氧化碳排放减少15%。
此外，环氧树脂基复合材料还广泛应用于声衬、风扇帽罩和反推装置。JT3D发动机通过在进气道内壁布置降噪声衬降低前向噪声，采用玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料作为内侧表面。R&R公司RB211发动机、P&W公司PW1000G和PW4000发动机都采用树脂基复合材料制造风扇帽罩前锥。反推装置壳体、阻流门和叶栅等部位也大规模使用碳纤维增强环氧树脂基复合材料制造。
2.2、聚酰亚胺基复合材料满足中温需求
聚酰亚胺树脂是一类耐高温树脂，其复合材料在发动机上应用最广泛的结构是外涵机匣。BR710、BR715和Pearl-15等航空发动机的外涵机匣均采用聚酰亚胺基复合材料制造。外涵机匣的设计要求包括满足使用温度范围、最大工作压力、最大弯曲刚度、最大工作载荷，具有耐介质老化、热氧化稳定性和抗腐蚀能力等。
高压压气机静子叶片衬套是聚酰亚胺复合材料的另一重要应用。为避免喘振发生，高压压气机的静子叶片需要设计成可旋转结构，在静子叶片与机匣和内环块之间需要加装衬套零件保证叶片扭转时的金属间对磨损耗。聚酰亚胺具有高温自润滑性，填充石墨的聚酰亚胺具有更高的耐温稳定性和更好的润滑性能，以及与金属材料相近的热膨胀匹配性。欧美航空发动机公司广泛应用多种成分和结构的聚酰亚胺复合材料衬套，单台发动机用量达到几百件，相比于铜合金衬套能够达到较好的减重效果。
2.3、热塑性复合材料的辅助应用
热塑性复合材料一直在发动机上有所应用，主要用于制造受力较小、耐温较低的非重要零件，以降低发动机整体制造成本。CFM56系列发动机采用短切玻璃纤维增强聚醚酰亚胺制造中介机匣防护盖板，采用聚醚醚酮（PEEK）制造外涵静子叶片减振零件。PW2000和PW4000发动机的风扇外涵静子叶片的内外环和低压压气机的内环采用注射成型的聚醚酰亚胺系列材料。
总体而言，树脂基复合材料主要应用于低温零件，其中环氧树脂基复合材料用于帽罩前锥、进气机匣、风扇转子叶片、风扇静子叶片、声衬等短期耐温不超过150℃的零件；聚酰亚胺基复合材料用于高压压气机静子叶片衬套、油气封严座和外涵机匣等耐温超过150℃但不高于400℃的零件；热塑性复合材料则用于受力较小、耐温较低的非重要零件。
三、金属基复合材料：中温部件的性能提升者
金属基复合材料与树脂基复合材料相比，具有良好的韧性、不吸潮和耐高温等特点；与陶瓷基复合材料相比，具有优良的韧性和抗冲击性。金属基复合材料是唯一具有固有延展性的强基体复合材料，在航空发动机上应用最多的主要是钛基、铝基和镍基复合材料。这类材料具有高比强度和高比模量，尤其是纤维增强的金属基复合材料在其纤维方向上具有很高的强度和模量，还具有良好的导电性和导热性、热膨胀系数小、耐磨损、尺寸稳定性高、易于加工和二次成形的特点，能够提高发动机中温段和高温段部件的屈服强度、疲劳寿命、拉压强度、高温蠕变性能，并减少构件质量，提高发动机推重比。
3.1、钛基复合材料的革命性突破
20世纪90年代初，在综合高性能涡轮技术计划（IHPTET）支持下，AADC公司设计碳化硅纤维增强钛基复合材料用于制造XTC-16系列核心机的第3级和第4级压气机整体叶环，不仅满足所有性能要求，还使整台发动机造价节省5万美元，被誉为航空发动机设计的革命性突破。IHPTET计划第二阶段高压压气机采用高温钛合金Ti1100的整体叶环，将压气机耐热温度提高到700至800℃，结构质量减轻50%，同时提高阻燃性能。R&R公司制备的SiC/Ti复合材料整体叶环减重37%，工作温度提高10%，转速提高15%。
德国宇航中心开发了磁控溅射沉积法制备SiC/Ti复合材料工艺，成功制备空心叶片和叶环试验件。SNECMA公司采用基体涂覆纤维工艺制造碳化硅纤维增强钛基复合材料压气机整体叶环插件。
3.2、铝基复合材料的成功应用
国外对纤维增强铝基复合材料及构件的研制起步较早，出现了纤维增强发动机风扇叶片和颗粒增强铝基复合材料风扇出口导流叶片两种形式。纤维增强铝基复合材料存在明显的各向异性，沿纤维方向具有优异的强度、模量和抗疲劳性能，但与纤维垂直方向的力学性能相对较低。
DWA公司采用热挤压方法成功研制6092/SiC/17.5p空心片状型材，制成风扇出口导流叶片，已相继应用于PW4084、4090、4098系列发动机。截至2001年，该叶片生产已超过10000片，装有该叶片的发动机已用于B777飞机。采用该叶片替代树脂基复合材料，可将侵蚀速率减小到原来的七分之一，大大增强对外来物（如冰雹）的抗损伤能力，同时服役寿命提高3倍，减少维护和修理费用。根据估算，自1996年到2001年已实现节约费用超过1亿美元。但现有的颗粒增强铝基复合材料抗高应力疲劳能力较差，目前尚不能应用于转子叶片。
3.3、镍基自润滑复合材料
发动机高温叶片和机匣间需要采用带润滑功能的耐高温材料制造衬套零件，有利于高温下叶片调节角度。由于传统的石墨、聚四氟乙烯、MoS₂等单一组分固体润滑材料使用温度范围有限，在温度高于400℃时逐步失去润滑作用。美国NASA格林研究中心开发出一系列宽温域镍基自润滑复合材料，材料牌号包括PS200、PS300、PS304、PS400、PM212、PM300和PM304等。这些复合材料以Ag/BaF₂-CaF₂共晶为润滑相，在室温至650℃范围内具有较低的摩擦因数。
目前，金属基复合材料压气机静子叶片、转子叶片、整体叶环、盘、轴、机匣、尾部结构和作动杆等零部件已开展试验验证。尽管有少量产品已成功用于发动机上，但多数金属基复合材料仍属于实验验证阶段，尚未广泛实际应用，尤其是在转子部件方面，主要原因在于制备工艺复杂、成本昂贵、界面稳定性难以控制、性能波动大、稳定性相对较低以及缺乏实用经验等。
四、陶瓷基复合材料：热端部件的高温革命
陶瓷基复合材料兼具陶瓷耐高温和抗氧化的特性，同时通过纤维增韧提高材料抗裂性，可满足热端部件在高温条件下的使用要求，已成为航空燃气涡轮发动机热端部件最有应用前景的材料。陶瓷基复合材料密度约为2.3g/cm³，仅为传统高温合金的三分之一至四分之一，耐温能力可达1350℃，替代传统高温合金在减轻结构质量的同时，还能减少高温零件所需的冷却气流，提高发动机性能、降低油耗、减少污染物排放。
4.1、碳化硅基复合材料的全面渗透
涡轮工作叶片方面，熔渗工艺制造的SiC/SiC复合材料低压涡轮工作叶片已在发动机上进行运转试验。GEAE公司的验证发动机在模拟大推力发动机运行压力下进行了500次耐久循环，测试结束后SiC/SiC叶片完全承受住高压力测试。这种叶片无需冷却，质量仅为镍合金叶片的三分之一。
涡轮导向叶片是陶瓷基复合材料应用的另一重要领域。2008年，Herakles公司设计和制造用于CMC低压涡轮导向叶片。GE9X发动机的高压涡轮1、2级导向叶片也采用CMC制造，目前已实现批量生产。NASA研究中心开发带有环境除杂层的SiC/SiC涡轮导向叶片，在高压燃气试验台进行了50小时静态测试和102次热循环测试，环境温度在940至1440℃到900至1050℃范围进行高低温循环，环境降涂层表面温度达到1300℃，测试结果满足要求。
涡轮外环扇形块方面，2016年CFM公司Leap-X发动机的陶瓷基复合材料高压涡轮外环采用预浸料-熔渗工艺制造，每台发动机使用18个涡轮外环块。Hyper-Therm公司研制的SiC/SiC复合材料涡轮外环在R&R公司的Advance及Ultrafan等新型发动机中开展应用验证。GE9X发动机的高压涡轮1级机匣外环也采用SiC/SiC复合材料制造。
密封片的考核验证取得了显著成效。P&W公司选取3种不同材料体系进行CMC复合材料密封片考核验证，其中A500密封片采用多层编制结构和自愈合陶瓷基体，在地面持久试车过程中累计经过11161个战术飞行周期，即5000小时发动机飞行时间，远高于金属密封片全寿命周期的4300个战术飞行周期。地面试车后A500密封片没有产生分层和磨损，后续剩余强度分析表明仅有6%的强度下降。A500密封片安装在飞机上进行飞行试验验证，累计飞行1000小时没有出现损伤，被美国空军认为是经历飞行试验考核最成功的CMC构件。
尾喷口混合器方面，SNECMA公司设计和制备用于CFM56-5C发动机的CMC混合器，采用Cerasep A40C材料制备，相比镍基高温合金减重30%，2007年进行地面试车，经过700次发动机循环测试未出现损伤。
燃烧室是陶瓷基复合材料应用的前沿领域。法国SNECMA公司积极开发SiCₓ/SiC燃烧室火焰筒，研制的SiCₓ/SiC燃烧室衬套已通过180小时发动机测试（600次循环，最大状态100小时）。GEAE公司的GE9X发动机采用第三代TAPS燃烧室，其内外火焰筒均由SiCₓ/SiC制成。火焰筒采用CMC后不仅质量轻，而且可减少冷却火焰筒的空气量，使进入混合器的空气量更多，形成贫油燃烧，其污染物排放量远低于2020年后生效的CAEP/8环保标准要求。除火焰筒外，CMC还用于GE9X高压涡轮1、2级导流叶片与1级机匣内衬环，GE9X成为世界上目前采用CMC零组件最多的商用发动机。
4.2、氧化铝基复合材料的创新应用
Boeing公司采用由Nextel-610氧化铝纤维增强硅酸铝基复合材料制造发动机喷管及尾锥部件，其中喷管与发动机连接部分直径为1.6m，尾锥部件长度为2.3m。这些组件针对R&R公司的Trent1000发动机设计，并在Boeing787客机上进行飞行测试。
R&R公司也在推进陶瓷基复合材料在发动机尾喷管中的应用，采用Nextel-610氧化铝纤维增强硅酸铝基复合材料制成发动机混合喷管，制造的缩比件在NASA Glenn研究中心进行性能测试，技术水平达到TRL-4级。
陶瓷基复合材料是目前复合材料应用领域最具发展潜力的材料之一。由于陶瓷基复合材料密度远低于高温合金，甚至低于高温合金密度的三分之一，减重潜力巨大，成为国外航空发动机行业近30年来大力发展的复合材料。目前陶瓷基复合材料主要应用于航空发动机800至1200℃之间的耐高温零件上，包括涡轮导向叶片、涡轮外环扇形块、密封片、尾喷口混合器、燃烧室、混合器喷管等静子零件以及涡轮工作叶片等转动零件，并呈现逐步全面替代高温合金的发展趋势。
五、结论与展望
材料是航空发动机重要的物质基础，先进航空发动机的跨代发展得益于先进材料的技术进步。材料性能的提升是实现航空发动机涡轮前温度、单位推力、推重比、耗油率、可靠性和使用寿命等主要技术指标的重要基础，航空发动机设计和制造的先进性很大程度上取决于航空材料和工艺的技术发展。每一代发动机所用的材料也体现该时代材料发展的特点，未来航空发动机的发展将更加依赖新材料的发展。
航空发动机经过70多年的发展，推重比、单位推力等指标得到了大幅提高，并沿着高可靠性、低成本等方向持续发展。提升推重比、单位推力等指标的重要途径之一是降低发动机质量。在满足结构强度和发动机性能的同时，采用各种复合材料的轻质材料是航空发动机发展的必经之路。
未来大推力涡扇发动机仍是航空发动机的主要动力形式，使用空间和速域范围不断扩展，对新材料的需求不断提升。发动机空域速域的拓展，使进口温度和沿程温度逐步提高。航空发动机飞行包线拓展，不断追求更高性能，对新材料的要求也不断提高。从发动机典型冷端部件和热端部件使用温度看，呈现冷端部件热端化、热端部件高温化的特点。尤其是热端部件对陶瓷基复合材料的温度需求已达到1300℃，冷端部件对树脂基复合材料的温度需求也达到400℃以上。因此，未来航空发动机的发展对耐高温材料的需求尤为迫切，也面临极大的挑战。
随着航空发动机综合性能的不断提高，在满足大推力、低油耗、高推重比的同时还要具备抗鸟击、防结冰和自检测等多种功能。复合材料想要扩大应用范围，也需要向着功能化、智能化方向发展。
针对复合材料各向异性和工艺强关联的特点，需要加强设计制造一体化研制，充分发挥材料具有可设计性的特点，实现精细化设计和最优化应用。同时建立经济性理念，通过优化材料设计、发展新型低成本制造技术、材料回收技术等，开展成本工程建设，支撑航空发动机经济性工作，降低材料和制造成本。
先进跨代材料的应用是发动机跨代发展的标志。复合材料由早期的仿制为主已逐步发展为自主研发，在促进材料体系的标准化、系列化、通用化发展的同时，需要增强自主保障能力，加大自主创新力度，以未来先进航空发动机研发需求为牵引，提前布局材料研制基础，实现材料先行发展，支撑航空发动机超越领先。
