近日热映的电影《长空之王》大家都看了吗，听说影片仅上映10天，实时票房已经破了6个亿！且根据目前上座率来看，票房可能会突破10个亿！那么《长空之王》这样相对比较严肃的题材，为什么能够在五一档收获如此广泛的票房和口碑呢？是因为主演王一博的流量吗？还真不是！

这一次《长空之王》在票房上的成功，主要得益于大众对于航空军事题材以及试飞员这样的无名英雄的关注。然而，还有很多观众表示，就是看飞机，这个票价也值了！

很多人之前早就听过歼-20的大名，是我们国家自主研发的第五代隐身战斗机，大国重器！可真正看过它真容的屈指可数。这次电影《长空之王》算是全方位展现了歼-20的英姿雄风，让很多平时不是军迷的女性朋友都变身歼-20小迷妹。

今天的文章，小编要给大家科普的就是战斗机的“心脏”——航空发动机。没有发动机的战斗机就宛如一堆废铁，没有发动机，战斗机的其他性能再优越，就像没有通电的台式电脑毫无作用。那么如此重要的部件都运用到了哪些尖端新材料呢？跟随小编一起来看看吧！

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航空制造是高新技术最集中的领域，属于先进制造技术。比如美国普惠公司研制的F119发动机，通用电气公司的F120发动机，比如法国的SNECMA公司的M88-2发动机，再比如英国、德国、意大利和西班牙四国联合研制的EJ200发动机。值得一提的是，这些代表全球最先进水平的航空发动机，其共同特点是采用了新材料、新工艺和新技术。下面就分别介绍所使用的七大新材料如下：

一、碳/碳复合材料

碳/碳复合材料（carbon/carbon composites）是指以碳纤维及其织物为增强材料，以碳（或石墨）为基体，通过致密化和石墨化处理制成的全碳质复合材料。碳/碳复合材料作为碳纤维复合材料家族的一个重要成员，具有许多碳和石墨材料的优点，例如低密度【理论密度小于2.2g/cm】、高热导率【高达400W/（m·K）】、低热膨胀系数【(1~5)x10-6/℃】的特点。此外，碳/碳复合材料作为新型结构材料，其具有比强度高、抗热震性能优异、抗烧蚀性能良好、耐摩擦磨损、耐腐蚀的特点。碳/碳复合材料可以承受高于3000℃的高温，尤其碳/碳复合材料的强度随着温度的升高不降反升的独特性能，使得其作为飞行器热防护系统和发动机热端部件选材具有其他材料难以比拟的优势。因此碳/碳复合材料被认为是最有发展前途的高温材料之一。

虽然C/C复合材料有很多十分优良的高温性能，但它在温度高于400℃的有氧环境中发生氧化反应，从而导致材料的性能急剧下降。所以，C/C复合材料在高温有氧环境下的应用必须有氧化防护措施。C/C复合材料的氧化防护主要通过以下两种途径，即在较低的温度下可以采取基体改性和表面活性点的钝化对C/C复合材料进行保护；随着温度的升高，则必须采用涂层的方法来隔绝C/C复合材料与氧的直接接触，以达到氧化防护的目的。当前使用最多的是涂层的方法，随着科技不断进步，对C/C复合材料超高温性能的依赖越来越多，而在超高温条件下唯一可行的氧化防护方案只能是涂层防护。

值得一提的是，C/C基复合材料是近一些年来全球最受重视的一种更耐高温的新材料。因为只有C/C复合材料是被认为唯一可做为推重比20以上，发动机进口温度可达1930-2227℃涡轮转子叶片的后继材料，曾经是美国21世纪重点发展的耐高温材料，尤其是全球先进工业国家拼力追求的最高战略目标。

所谓C/C基复合材料，就是碳纤维增强碳基本复合材料，它把碳的耐熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体，使其呈现出非脆性破坏。由于C/C基复合材料具有重量轻、高强度，优越的热稳定性和极好的热传导性，因此，是当今最理想的耐高温材料，特别是在1000-1300℃的高温环境下，它的强度不仅没有下降，反而能够提高。特别是在1650℃以下时仍然还保持着室温环境下的强度和风度。因此C/C基复合材料在宇航制造业中具有非常大的发展潜力。

C/C基复合材料在航空发动机应用的一个主要问题是抗氧化性能较差，所以，近几年美国通过采取一系列的工艺措施，让这一问题获得解决，并且逐步应用在新型发动机上。比如美国的F119发动机上的加力燃烧室的尾喷管，F100发动机的喷嘴及燃烧室喷管，F120验证机燃烧室的部分零件都已经采用了C/C基复合材料制造。再比如法国的M88-2发动机，幻影2000型发动机的加力燃烧室喷油杆、隔热屏、喷管等也都采用了C/C基复合材料。

二、超高强度钢新材料

超高强度钢主要包括以300M为代表的低合金钢、高Co-Ni二次硬化钢以及马氏体时效钢，其中低合金超强钢韧性普遍低于其他两类钢种。随着超高强度钢制备技术尤其是高纯净度冶炼的长期发展，传统二次硬化钢以及马氏体时效钢性能优化已渐趋瓶颈。从材料组织角度讲，这两类钢种的强化均依托于纳米析出相在其周围产生的强畸变场与位错的弹性交互作用，但是又不可避免地限制了析出相体积密度以及组织均匀性，造成强度的提升伴随着其他性能的严重下降，往往需要极为复杂严苛的制备工艺和极高的合金含量保证服役性能。

近年来，为了突破固有体系的性能限制，逐渐开发了系列共格-半/非共格协同强韧化的新型超高强度钢，表现出良好的应用前景，但是所涉及的协同强韧化机制尚不清楚，也未形成相关设计准则，高成本问题依然严峻。同时为了缩短研发周期，美、法等发达国家开展了材料集成计算技术、材料基因工程等技术加速超高强度钢的发展，但是目前仍主要集中于单一强化体系，在多相协同析出强韧化方面鲜有报道。



值得注意的是，超高强度钢必须具有高的抗拉强度，和保持足够的韧性,还要求比强度（强度与密度之比）)大和屈强比（σs/σb）高，以减轻构件的重量，而且要有良好的焊接性和成形性等工艺性能。超高强度钢对冶金质量要求非常高，往往采用电弧炉和电渣重熔冶炼。要求纯度高的钢种，多采用真空感应炉或真空自耗电弧炉冶炼。中、低合金超高强度钢在热处理时应防止脱碳；马氏体时效钢和沉淀硬化不锈钢，可以用普通加热炉固溶处理。焊接时须采用保护气体焊接或采用钨极氩弧焊接。某些含碳较高的（0.4%左右）低合金超高强度钢，焊接后应立即进行去应力退火。

超高强度钢作为起落架材料应用在飞机上。比如第二代飞机采用的起落架材料是30CrMnSiNi₂A钢，抗拉强度为1700MPa，这种起落架的寿命较短，约2000飞行小时。

再比如第三代战机设计要起落架求寿命超过5000飞行小时，同时由于机载设备增多，飞机结构重量系数下降，对起落架选材和制造技术提出更高要求。美国和我们的第三代战机均采用300M钢（抗拉强度1950MPa）起落架制造技术。

事实上，材料应用技术水平的提高在推动起落架寿命的进一步延长和适应性的扩大。比如欧洲的空客A380飞机起落架采用了超大型整体锻件锻造技术、新型气氛保护热处理技术和高速火焰喷涂技术，让起落架寿命满足设计要求。因此，新材料和制造技术的确保了飞机的更新换代。

众所周知，飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计对材料提出了更高要求，比如AerMet100钢较300M钢而言，强度级别相当，而耐一般腐蚀性能和耐应力腐蚀性能明显优于300M钢。与之相配套的起落架制造技术已经应用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先进飞机上。更高强度的Aermet310钢断裂韧性较低，正在不断研发及提高中。损伤容限超高强度钢AF1410的裂纹扩展速率极慢，可以用作B-1飞机机翼作动筒接头，比Ti-6Al-4V减重10.6%，加工性能提高60%，成本降低 30.3%。比如俄罗斯的斯米格-1.42上高强度不锈钢用量高达30%。PH13-8Mo是唯一的高强度马氏体沉淀硬化不锈钢，广泛用作耐蚀构件。国际上还发展了超高强度齿轮（轴承）钢，比如CSS-42L、GearmetC69等，并早在发动机、直升机和宇航中使用。

三、高温合金材料

高温合金是指以第珊主族元素（铁、钴、镍）为基，加入大量强化元素，能在 600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。高温合金具有较高的高温强度以及良好的抗氧化、抗热腐蚀、抗疲劳性能，在高温下具有良好的组织稳定性和使用可靠性，因此，也被称为热强合金、耐热合金或超合金。

高温合金是20世纪40年代发展起来的一种新型航空金属材料，它可在600--1100℃的氧化和燃气腐蚀条件下，承受复杂应力，长期可靠地工作。高温合金主要用于航空发动机的热端部件 ，同时也是航天、能源、交通运输和化学工业中广泛应用的材料 。从所属细分行业来看，高温合金材料属于新材料领域中的高端金属结构材料，其综合性能优越，具有优秀的高温强度及塑性，良好的抗氧化及抗热腐蚀性能，优异的抗蠕变性能、抗断裂性能和良好的组织稳定性，已成为全球军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。

760℃高温材料从20世纪30年代后期起，英、德、美等国就开始研究高温合金。第二次世界大战期间，为了满足新型航空发动机的需要，高温合金的研究和使用进入了高速发展期。到了40年代初，英国首先在80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛，形成γ'相（gamma prime）以进行强化，研制成第一种具有较高的高温强度的镍基合金。此时期，美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要，开始用Vitallium钴基合金制作叶片。

值得一提的是，美国还研制出Inconel镍基合金，用以制作喷气发动机的燃烧室。后来，冶金学家为进一步提高合金的高温强度，在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素，增加铝、钛含量，研制出一系列牌号的合金，比如英国的“Nimonic”，美国的“Mar-M”和“IN”等；在钴基合金中，加入镍、钨等元素，发展出多种高温合金，比如X-45、HA-188、FSX-414等。由于钴资源缺乏，钴基高温合金发展受到限制。

40年代，铁基高温合金也获得了发展，50年代出现A-286和Incoloy901等牌号，但由于高温稳定性较差，因此发展较慢。前苏联于1950年开始生产“ЭИ”牌号的镍基高温合金，后来生产“ЭП”系列变形高温合金和ЖС系列铸造高温合金。70年代美国还采用新的生产工艺制造出定向结晶叶片和粉末冶金涡轮盘，研制出单晶叶片等高温合金部件，以适应航空发动机涡轮进口温度不断提高的需要。

高温合金是为了满足喷气发动机对材料的十分苛刻要求而研制的，至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。

高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关，特别是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。由于对材料的耐高温性能和应力承受能力提出很高要求，因此早期英国研制了Ni₃（Al、Ti）强化的Nimonic80合金，用作涡轮喷气发动机涡轮叶片材料，另外，又不断发展了Nimonic系列合金。美国开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金，比如著名的普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合金系列。

四、陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料是一种以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。高科技陶瓷材料作为一种轻质、高性能的结构复合材料在高温领域应用广泛，优异的高温性能使其可替代高温合金材料成为在航天发动机上特别是在发动机核心机上使用的候选材料之一。

陶瓷基复合材料已用作液体火箭发动机喷管、导弹天线罩、航天飞机鼻锥、飞机刹车盘和高档汽车刹车盘等，成为高技术新材料的一个重要分支。

由于陶瓷材料具备优良的耐磨性，并且硬度高、耐蚀性好，因此获得了非常广泛应用。但是，陶瓷的最大缺点是脆性大，对裂纹、气孔等很敏感。20世纪80年代以来，通过在陶瓷材料中加入颗粒、晶须及纤维等得到的陶瓷基复合材料，让陶瓷的韧性大大提高。

陶瓷基复合材料具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐磨耐蚀和良好的韧性，已用于高速切削工具和内燃机部件上。但这类材料发展较晚，其潜能尚待进一步发挥。研究重点是将其应用于高温材料和耐磨、耐蚀材料，比如大功率内燃机的增强涡轮、航空航天器的热部件以及代替金属制造车辆发动机、石油化工容器、废物垃圾焚烧处理设备等。

说到陶瓷，人们很自然想到它的特点就是脆性。十几年前，如果把它用于工程领域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到现在说到陶瓷复合材料，可能有些人不清楚，认为陶瓷和金属原本就是两种不相关的基本材料，但是自从人们巧妙地将陶瓷和金属结合后，才使人们对这种材料的概念发生了根本的变化，这就是陶瓷基复合材料。

目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超过了金属耐热材料，并具有很好的力学性能和化学稳定性，是高性能涡轮发动机高温区理想的极好材料。全球各国针对下一代先进发动机对材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料，并取得了很大的进展，尤其应用在现代航空发动机中。比如美国验证机的F120型发动机，它的高压涡轮密封装置，燃烧室的部分高温零件，均采用了陶瓷材料。再比如法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。

五、金属间化合物新材料

金属间化合物是受到普遍重视的新型材料。金属间化合物简称为IMC，主要是指金属元素之间、金属元素与类金属元素间形成的化合物。这种金属间化合物是一类低密度、高熔点、性质介于金属与陶瓷之间的有序结构化合物，由于其微观结构上的特点，具有许多传统材料所没有的优点。金属间化合物作为结构材料应用，以铝化物和硅化物为基的金属间化合物，具有比模量、比强度高，抗氧化、抗腐蚀性能优异的特点，可以在更高的温度和恶劣的环境下工作。在结构材料领域人们研究较多的是Ti-A1系、Ni-Al系和Fe-Al系金属间化合物。Ti-A1系金属间化合物是潜在的航空航天材料，在国外已开始应用于军事领域。Ni-A1系金属间化合物是研究较早的一类材料，研究比较深入，取得了许多成果，也有一些实际应用。Fe-A1系金属间化合物与以上两类相比，除具有高强度、耐腐蚀等优点外，还具有低成本和低密度等优点，因此具有广泛的应用前景。



事实上，高性能、高推重比航空发动机的研制，促进了金属间化合物的开发与应用。金属间化合物一般都是由二元三元或多元素金属元素组成的化合物。金属间化合物在高温结构应用方面具有巨大的潜力，它具有高的使用温度以及比强度、导热率，尤其是在高温状态下，还具有很好的抗氧化，搞腐蚀性和高的蠕变强度。另外由于金属间化合物是处于高温合金与陶瓷材料之间的一种新材料，它填补了这两种材料之间的空档，因此成为航空发动机高温部件的理想材料之一。

在全球航空发动机结构中，致力于研究开发的主要是以钛铝和镍铝等为重点的金属间化合物。这些钛铝化合物与钛的密度基本相同，但却有更高的使用温度。比如TiAl的使用温度分别为816℃和982℃。金属间化合物原子间的结合力强，晶体结构复杂，造成了它的变形困难，在室温下显现出硬而脆的特点。经多年试验研究，之前一种具有高温强度和室温塑性与韧性的新型合金已经研制成功，并已装机使用，效果非常好。比如美国的高性能F119型发动机的外涵机匣、涡轮盘都是采用的金属间化合物，验证机F120型发动机的压气机叶片和盘均采用了新的钛铝金属间化合物。

六、树脂基复合材料

树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常使用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶等纤维增强体。树脂基复合材料在航空、汽车、海洋工业中有十分广泛的应用。

近些年美国通用电气公司（USA, general electric company, GE或通用电气）、美国普拉特·惠特尼公司（USA, pratt & whitney group, P&W或普·惠）、英国罗尔斯·罗伊斯公司（UK, rolls-royce group, R·R或罗·罗）等在树脂基复合材料发动机部件应用方面取得了较大进展。以普·惠公司为例，1970年首先在JT9D发动机上使用玻璃纤维/环氧树脂复合材料制备了风扇整流锥。为了进一步减重，1981年采用芳纶纤维/环氧树脂复合材料制备了JT9D-TR4发动机整流锥。之后树脂基复合材料被大量应用于普·惠发动机上，如PW4084发动机树脂传递模塑工艺（resin transfer moulding, RTM）制备的碳纤维/环氧树脂风扇叶片垫块、PW4168发动机双马树脂复合材料整流罩和碳纤维/环氧树脂复合材料反推力装置等短舱部件。

复合材料的树脂基体以热固性树脂为主。早在40年代，在战斗机、轰炸机上就开始采用玻璃纤维增强塑料作雷达罩。60年代，美国在F-4、F-111等军用飞机上采用了硼纤维增强环氧树脂作方向舵、水平安定面、机翼后缘、舵门等。在导弹制造方面，到了50年代后期，美国中程潜地导弹“北极星A-2”第二级固体火箭发动机壳体上就采用了玻璃纤维增强环氧树脂的缠绕制件，较钢质壳体轻27%;后来采用高性能的玻璃纤维代替普通玻璃纤维造“北极星A-3”，使壳体重量较钢制壳体轻50%，从而使“北极星A-3”导弹的射程由2700千米增加到4500千米。到了70年代，采用芳香聚酰胺纤维代替玻璃纤维增强环氧树脂，强度又大幅度提高，而重量减轻。碳纤维增强环氧树脂复合材料在飞机、导弹、卫星等结构上得到十分广泛的应用。树脂基复合材料的服役温度一般不超过350℃。因此，树脂基复合材料主要应用于航空发动机的冷端。

七、金属基复合材料

金属基复合材料是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，比如陶瓷、碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。它与聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料一起构成现代复合材料体系。

金属基复合材料特点：在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。比如碳纤维增强铝复合材料其比强度3~4×107mm，比模量为6~8×109mm，再比如石墨纤维增强镁不仅比模量可达1.5×1010mm，而且其热膨胀系数几乎接近零。

值得一提的是，和树脂基复合材料相比，金属基复合材料具有良好的韧性，不吸潮，能够耐比较高的温度。金属基复合材料的增强纤维有金属纤维，比如不锈钢、钨、铅、镍铝金属间化合物等；陶瓷纤维，如氧化铝、氧化硅、碳、硼、碳化硅等。

金属基复合材料的基体材料有铝、铝合金、镁、钦及钦合金、耐热合金、钻合金等。其中以铝铿合金、钦及铁合金为基的复合材料是目前主要选择对象。比如以碳化硅纤维增强钦合金基体复合材料可用来制造压气机叶片。碳纤维或氧化铝纤维增强镁或镁合金基体复合材料可用来制造涡轮风扇叶片。又比如镍铬铝铱纤维增强镍基合金基体复合材料可用来制造涡轮及压气机用的密封元件。

另外，风扇机匣、转子、压气机盘等零件，国外都有采用金属基复合材料制造的实例。但这种复合材料存在的最大问题之一是增强纤维和基体金属之间容易发生反应而产生脆性相，使材料性能变差。尤其是在较高温度下长时使用，界面的反应更为突出。当前解决的办法是根据不同纤维、不同基体，在纤维表面加适当涂层，以及对基体金属进行合金化，以减缓界面的反应，保持复合材料性能的可靠性。

发动机风扇叶片使用的材料

发动机风扇叶片，是涡扇发动机最具代表性的非常重要的零件，涡扇发动机的性能与它的发展息息相关。与钛合金风扇叶片相比，树脂基复合材料风扇叶片具有十分明显的减重优势。除具有明显的减重优势之外，树脂基复合材料风扇叶片受撞击后对风扇机匣的冲击较小，因此，有利于提升风扇机匣包容性。

国外商业化应用的复合材料风扇叶片的主要代表有：为B777配套的GE90系列发动机，为B787配套的GEnx发动机，同时还有为中国商飞C919配套的LEAP-X发动机。早在1995年，装配树脂基复合材料风扇叶片的GE90-94B发动机正式投入商业运营，标志着树脂基复合材料在现代高性能航空发动机上正式实现工程化应用。在综合考虑空气动力学、高低周疲劳循环等因素的基础上，GE公司又为后续的GE90-115B发动机研制了新的复合材料风扇叶片。

21世纪，航空发动机对高损伤容限复合材料的强烈需求牵引着复合材料技术进一步发展，而通过不断提高碳纤维/环氧树脂预浸料韧性的方法已经很难满足高损伤容限的要求。由此，3D编织结构复合材料风扇叶片开始出现。

发动机风扇机匣使用的材料

发动机风扇机匣是航空发动机最大的静止部件，它的减重将会直接影响航空发动机的推重比与效率。因此，国外先进航空发动机OEM也始终致力于风扇机匣的减重与结构优化工作。

发动机风扇帽罩使用的材料

由于是非主承力构件，风扇帽罩是航空发动机上最先使用的复合材料制造的部件之一，使用复合材料制造的风扇帽罩可以提供更轻的重量、简化的防冰结构、更好的耐蚀性以及更优异的抗疲劳性能。比如著名的R.R公司的RB211发动机、PW公司PW1000G、PW4000采用树脂基复合材料制备风扇帽罩。

相比航空发动机主机，树脂基复合材料在航空发动机短舱具有十分广阔的应用空间，全球厂商已经在短舱进气道、整流罩、反推装置、降噪声衬部位大规模使用树脂基复合材料。在其他部位方面，在航空发动机风扇流道板、轴承封严盖、盖板等部位也在不同程度的应用树脂基复合材料。


注：文章内容整理自网络

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