极端航空航天应用中的高温石墨

该横截面显示了喷气发动机结构的极端复杂性和移动 部件的数量。碳石墨飞机转子可以承受喷气发动机 内的高温和极端条件。

喷气发动机的温度达到 1000 °F 以 上， 轴 速 高 于 30,000rpm，面对飞机运行的高海拔和极度干燥的环境，工程 师们面临着一系列的设计挑战。

摩擦机械部件（如轴承，密封件，转子或阀门）在面对 恶劣条件时，传统的油脂润滑通常是不够的。而恒定润滑应 用也并不总是实用的，并且大多数润滑剂在施加后很快挥发， 这些环境中的材料需要自润滑，因此，航空航天工程师将目 光转向了最通用的自润滑材料——高温石墨。

碳石墨制造商开发出新的碳等级，可承受更高的温度， 更干燥的环境，更高的速度和更高的润滑性能，有利于喷气 发动机制造商寻找优化三个变量的材料：

• 发动机推力 / 效率

• 使用成本

• 所需维护间隔 / 易于维护

通常，改善其中一个变量会对另一个变量产生负面影响。 例如，增加发动机机舱的尺寸通常会增加通过涡轮机的空气 流量产生更大的推力。然而，使用成本和易维护性通常会受 到负面影响，因为大机舱更重并且具有更多不易接近的区域。 很难找到能同时积极影响所有这三个因素的材料。

发动机推力，效率

优化耐磨性——在干运行应用中，得益于石墨颗粒的层 状结构，石墨的动摩擦系数（COF）约为 0.10 至 0.25。

石墨烯层改善干运行——在微观层面上，石墨烯层相互 滑动并在石墨和其相对面之间沉积抛光的薄膜。这种薄膜可 保护石墨免受相对面的摩擦，这在优化干耐磨性方面至关重 要。碳石墨制造商可以通过成膜浸渍来增强这种薄膜，从而 产生具有优异干运行性能的更坚固的碳石墨材料。

高导热性可减少局部热点——由于高导热性，在减少轴 摩擦的同时，石墨可以持续保持轴承和轴之间的界面散热—— 这种温度最高可达 45BTU / hr·ft·°F。这有助于防止轴承摩擦 产生的局部热点，保证轴承性能。通过使用石墨轴承能够改 善被高温环境严重损害的轴承材料的完整性。

尺寸稳定，无磨损可防止轴卡死——对金属轴没有原子 吸引力，石墨不会磨损，不会导致轴咬合。与许多工程塑料 或金属不同，石墨不会软化或变形，因此在极端温度下唯一 的主要问题是氧化。石墨的尺寸也是稳定的，在压力下不会 向外挤出。

减重

优化喷气发动机的推力效率直接影响使用成本，使石墨 的性能变得可取。

增加飞机涡轮机的重量将增加所需的燃料量。石墨重量 轻，因此用石墨代替非石墨机械部件可降低成本。

石墨轴承可以比相同尺寸的青铜轴承轻 4 倍以上。虽然 喷气发动机是喷气式飞机的一小部分，但随着时间的推移， 减重的需求将不断增加。

易于维护

石墨的耐磨性使其能够长时间承受相当大的速度和负载。 在干运行应用中，它可以承受 PV 值 - 以 ft / min 为单位的速 度和通常用于预测机械部件磨损率的负载（磅/平方英寸（psi）） - 高于 30,000psi·ft / min，维护间隔超过 20,000 小时。

高温抗氧化性——现代喷气发动机需要在高温运行以提 高效率。喷气发动机所耐受的最高温度取决于各部件所耐受 的最低温度，因此随着所有其他涡轮机部件的温度额定值的 增加，发动机机械部件的性能也必须跟上这一趋势。

未来的高温石墨

石墨开发受到对能够承受更高温度，更高负载和速度以 及更长工作周期的材料的需求的驱动。碳石墨制造商正致力 于开发现代化和先进的工艺以突破材料的极限。因为航空航 天可以说是任何行业最极端的应用条件，这些进步将使材料 行业受益。

□ 本文译自 Aerospace Manufacturing and Design 杂志