但是隨著材料學(xué)的發(fā)展，金屬已經(jīng)不再是我們的唯一選擇，甚至于有大量的非金屬材料因?yàn)橛兴麄兊摹蔼?dú)門絕技”所以被應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，比如說陶瓷材料，就因?yàn)槠錁O佳的耐高溫性能而有可能在未來的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件中得到使用。

△陶瓷基渦輪葉片△

我們今天不說陶瓷，而說另外一種神奇的非金屬材料：碳纖維。

△這就是碳纖維△

航空航天工業(yè)為何青睞碳纖維？

如果我們希望航空發(fā)動(dòng)機(jī)可以制造的足夠輕盈，那么如何在條件允許的情況下盡量減小材料的密度是一個(gè)很好的方法。當(dāng)年的鈦合金就是因?yàn)檩p質(zhì)，并且在剛度、強(qiáng)度和高溫性能合格，現(xiàn)在已經(jīng)是一種被廣泛使用的優(yōu)秀航空材料。

但是金屬畢竟是金屬，即便是像鎂鋁合金那樣的材料，密度也只是堪堪做到2000kg每立方米左右，而且金屬材料都有一個(gè)很嚴(yán)重的問題，那就是金屬有疲勞問題，當(dāng)金屬材料內(nèi)部受到變化的力的時(shí)候，只要這個(gè)力足夠大、作用的時(shí)間足夠長(zhǎng)，那么材料就會(huì)產(chǎn)生微裂紋，然后這樣的裂紋會(huì)快速變長(zhǎng)、直到整個(gè)材料都裂開。

△金屬材料的疲勞裂紋△

所以這個(gè)時(shí)候一種新材料：碳纖維，出現(xiàn)在工程師們的視野中。

這種材料首先有一個(gè)最明顯的優(yōu)點(diǎn)：輕。碳纖維密度一般在1400~2000kg每立方米，經(jīng)過環(huán)氧樹脂強(qiáng)化的碳纖維密度也不過1600kg每立方米而已，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于金屬材料。

△往往需要通過環(huán)氧樹脂將多層碳纖維粘黏在一起△

而且這種材料抗拉強(qiáng)度極高，想要拉斷高強(qiáng)度碳纖維材料需要用拉斷同樣橫截面積鋼鐵的力的兩到四倍。

△碳纖維（后三行）與金屬材料的對(duì)比△

另外，碳纖維跟金屬材料不一樣，碳纖維材料并沒有所謂的“疲勞強(qiáng)度”的概念，也就是說變化的力對(duì)于金屬材料來說是一種威脅，需要重點(diǎn)關(guān)注，但是放在碳纖維這里卻不叫什么事情。

上面這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于航空器材可以說是至關(guān)重要，因?yàn)檫@些東西是要飛上天的，所以自然是越輕越好，而且像航空發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的裝置，需要承受巨大、復(fù)雜的載荷，工作狀態(tài)下零件內(nèi)部會(huì)分布有復(fù)雜變化的載荷，有這么一種密度小、強(qiáng)度高、抗疲勞能力強(qiáng)的材料簡(jiǎn)直就是如有神助。

碳纖維被廣泛用在飛機(jī)和火箭上

碳纖維由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，比如說碳纖維可以被用來制造火箭的燃料儲(chǔ)藏罐，比如說可以用來制造飛機(jī)的外殼，等等。尤其是現(xiàn)在先進(jìn)民用客機(jī)制造中，碳纖維的使用比例已經(jīng)超過了50%。

△SpaceX公司制造的世界上最大的碳纖維燃料儲(chǔ)存罐△

△波音787外殼大量使用碳纖維材料（藍(lán)色）△

然而，雖然碳纖維有很多優(yōu)點(diǎn)，也確實(shí)在火箭、飛機(jī)結(jié)構(gòu)上得到了廣泛的應(yīng)用，但是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用卻有很多問題。

碳纖維在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用：風(fēng)扇葉片

雖然碳纖維，想要在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中使用碳纖維材料卻不是那么容易，因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)除了載荷大且復(fù)雜之外，還有兩個(gè)很致命的問題：1，發(fā)動(dòng)機(jī)太熱了；2，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)變形控制很嚴(yán)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)離不開大量燃料的燃燒，所以必然會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，比如說發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前的溫度可以高達(dá)2000℃。而碳纖維雖然也能夠承受一定的高溫，但是在這樣程度的高溫下卻依然顯得無能為力，尤其是環(huán)氧樹脂本身很難承受200℃以上的高溫。

另外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)分為一靜一動(dòng)兩個(gè)部分，也就是“靜子”和“轉(zhuǎn)子”，靜子不動(dòng)，轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)靜之間要求配合嚴(yán)絲合縫——這也就是我們所說的“轉(zhuǎn)靜子間隙控制”。

△發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件和靜止件之間間隙要求很高△

而碳纖維材料雖然說強(qiáng)度很高，但是剛度不足，這也就意味著一旦發(fā)動(dòng)機(jī)工作起來碳纖維做的零件會(huì)發(fā)生更大的變形，帶來轉(zhuǎn)靜子之間配合狀態(tài)的改變。尤其是在壓力比較高的地方，一點(diǎn)點(diǎn)的縫隙都有可能造成安全問題和性能下降。

所以碳纖維材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用相對(duì)較少，使用的位置主要是：風(fēng)扇葉片。也就是我們平時(shí)坐飛機(jī)時(shí)能夠看到的跟電風(fēng)扇一樣的那個(gè)東西。

△航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的第一級(jí)風(fēng)扇葉片△

風(fēng)扇葉片這個(gè)位置距離燃燒室較遠(yuǎn)溫度很低（事實(shí)上就是環(huán)境溫度），而且這個(gè)位置壓力比較低、對(duì)間隙控制沒有那么嚴(yán)格。同時(shí)，這些葉片體積足夠大，方便了碳纖維材料的加工，使用碳纖維材料也可以最大程度上發(fā)揮材料密度小的特點(diǎn)。

如果是在那些小葉片上采用碳纖維材料，不光加工起來費(fèi)勁的不行（碳纖維葉片制造過程中的很多步驟都要依靠手工），替代完了發(fā)現(xiàn)重量沒減少多少，實(shí)在是不值當(dāng)。

△巨大的葉片一個(gè)成年人可以輕松舉起△

而且這種神奇且美麗的材料在這個(gè)位置居然真的發(fā)揮出不可替代的作用，這背后自然離不開工程師們的努力。

責(zé)任編輯：駱靜晨