碳纤维复合材料在航空中的应用

碳纤维复合材料在航空中的应用摘要：碳纤维复合材料由于其质轻高强的特点而在航空领域大量使用，主要介绍了其在飞机上的大量应用，期待我国碳纤维工业能早日达到先进水平。关键字：碳纤维；碳纤维复合材料；商用飞机。1引言碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。正是由于碳纤维在力学上的出色性能，碳纤维复合材料(CFRP)被广泛用于航空航天领域。早在上世纪50年代就被用于火箭，而随着80年代高性能复合材料的发展，碳纤维复合材料的应用更加广泛。不仅在火箭、宇航、航空等领域发挥着重要作用，而且广泛应用于体育器械，纺织、化工机械及医学领域。2碳纤维复合材料在商用飞机上的应用复合材料诞生之时，就由于其质轻高强的性能而与航空航天器结下了不解之缘。上世纪40年代开始，复合材料就被用于军用飞机的修补。上世纪80年代，复合材料在商用飞机上得到逐步应用。随之而来的碳纤维革命，尤其是中模量碳纤维性能的提高﹑技术的稳定，使得碳纤维复合材料最终被用于大型商用飞机的主结构。以B787和A350为代表的大型商用飞机，其复合材料在飞机结构重量中的占比已经达到或超过了50%，最大的商用飞机A380的中央翼也完全使用复合材料，这些都是复合材料在大型商用飞机上使用的里程碑。2.1商用飞机上主要的CFRP构件[1]目前，商用飞机上使用的复合材料大部分是碳纤维环氧复合材料，也包括一些玻璃纤维环氧复合材料，以及少量的特种基体树脂复合材料。其应用分为三个大类，即一级结构材料、二级结构材料和内装饰材料。如图所示：2.2主要的纤维和基体类型在选用的纤维方面，通用级T300碳纤维CFRP可用来制造飞机的二次结构部件。例如，T300/5208用来制造B757、B767和B777的二次结构部件。但因T300的抗拉强度仅为3.53GPa，抗拉模量为231GPa，特别是断后延长仅有1.5%，满足不了制造一次结构件的要求。随后开发成功的高强中模型碳纤维在上述3项质量指标有了大幅度提高，再配套韧性环氧树脂所制高性能CFRP就可用来制造大飞机的一次结构件。主要的高强中模碳纤维品牌及性能如下表所示：由表中数据可知，这类高强中模碳纤维的性能比通用级T300有了大幅度提高。我国目前还不能生产这类高性能碳纤维，处于实验室研制阶段，有望在“十一五”期间有所突破。通用型环氧树脂固化后属于脆性材料，需增韧改性为韧性基体树脂。高强中模碳纤维与韧性基体树脂复合后所制韧性CFRP可用来制造大飞机的一次和二次结构件。其中，具有代表性的是T800H/3900-2（P2302）和IM7/8551-7。热固性树脂（TS）为母相，热塑性树脂（TP）为分散相，两者均匀混合固化成型。在热固化成型过程中，TS成为三维交联体，TP仍保持线性特性，赋予CFRP韧性。这样可制得韧性CFRP。T800H/3900-2（P2302）是典型的用来制造大飞机一次和二次结构件的韧性复合材料。2.3韧性CFRP在大飞机上应用需关注的技术关键[2]随着碳纤维性能的不断提高，增韧改性基体树脂的不断深入和复合技术的日趋完善，韧性CFRP在大飞机上的应用逐步拓宽。未来500～600座的大飞机将成为航空客运的主力机型。为此，需要解决好以下几方面的问题：(1)设计允许应变达到0.6%，可用冲击后抗压缩强度（CAI）来评价。这就需用高强度、大伸长碳纤维与韧性基体树脂来复合。例如，T800H/3900-2或IMT/8551-7的韧性预浸料，可达到上述指标。(2)提高抗CFRP的抗冲击强度，需采用高强度、大伸长碳纤维。例如，T700S断后延长高达2.1%。上浆剂中可含有热塑性塑料微粒，提高其韧性。(3)提高冲击损伤后的抗压缩强度（CAI），需采用高强度、大伸长碳纤维与韧性环氧树脂复合。控制碳纤维石墨微晶尺寸，也可提高抗压缩强度。同时，研究韧性耐热的热可塑性树脂，作为新一代韧性基体树脂。(4)提高抗层间剪切强度（ILSS），改善两相界面粘接强度，有效传递载荷。同时，采用三维编织物和RTM成型技术，也可有效提高ILSS和防止层间剥落现象。(5)提高CFRP的耐热性，以适应超音速飞行。除提高基体树脂的耐热性外，也应关注碳纤维表面上浆剂的湿热性能。吸湿会降底CFRP性能。(6)采用整体成型的先进复合技术来制造大型构件，如体翼一次成型技术。这不仅提高整体复合件的性能，而且可大幅度减少零件数目和紧固件数目，有利于降低生产成本。3碳纤维复合材料在发动机和短舱上的应用[1]复合材料在商用飞机上的另一个主要应用领域是在发动机和短舱，而发动机叶片，例如，GE90的发动机叶片，则是这种应用的典范。GE90叶片使用的是8551-7/IM7预浸料，通过热压罐工艺成型获得，这种环氧中模量碳纤维预浸料具有极高的韧性和损伤容限，可以满足叶片苛刻的性能要求。发动机复合材料叶片的另一种制作工艺是使用3D碳纤维织物，用环氧树脂灌注而成。这种技术充分利用了3D织物的特点，用其制得的复合材料具有低裂纹扩展性、高能量吸收性以及耐冲击、抗分层性能。即将用于C919客机的Leap-X1C即使用这种技术。复合材料除了提供结构贡献以外，在发动机和短舱上的另一个贡献是降噪。在B787的发动机和短舱上使用了一种降噪蜂窝，用其作为芯材、环氧预浸料作为蒙皮的夹层结构起到了良好的降噪效果，使B787被誉为最安静的飞机，这也是B787的亮点之一。4碳纤维复合材料在飞机上的其他应用通用小飞机的结构简单，有的小飞机机身甚至甚至可以使用玻璃纤维预浸料为蒙皮的蜂窝夹层结构，而外翼的翼樑则可以使用单向碳纤维复合材料制造。生产工艺上，从节约成本考虑，较为普遍采用的是非热压罐工艺。碳纤维复合材料在直升机上的应用也十分广泛，除机身、尾樑等结构件以外，还包括桨叶、传动轴、高温整流罩等对疲劳、湿热性能有更高要求的部件。特别是复合材料桨叶的使用，把桨叶的使用寿命从金属的2000小时提高到了复合材料的6000小时以上，甚至是无限寿命，并且两者的制造成本几乎相当，因此使用复合材料取代金属材料也成为必然。碳/碳（C/C）复合材料则是制造飞机刹车装置的优异材料。例如著名的B-2战略轰炸机、空客A320均采用C/C复合材料刹车装置。这些先进的C/C刹车装置可有效地把飞机降落过程中的动能转化为热能，不仅刹车制动的安全性高，而且可有效减轻质量。例如160座的空客A320，采用的C/C刹车装置可减质量140kg。这种C/C刹车装置已在战机和客机上得到广泛应用。[3]CFRP还可用来制造隐身飞机。B-2战略轰炸机属于隐身飞机，其雷达散射截面积（RCS）仅有0.1㎡，不易被对方雷达发现，大大增加了突防能力和生存概率。B-2轰炸机大量采用先进的特种CFRP，所用碳纤维的截面积不是圆形，而是异型截面，如方形截面，且在表面沉积1层多孔碳粒或附着1层多孔微球，实施对雷达波的散射和吸收，赋予其吸波功能。这种结构吸波和涂层吸波相叠加，大大增强了综合吸波动功能。这也就是说，特种CFRP不仅是结构材料，而且也是结构吸波材料。[3]5我国碳纤维复合材料发展现状我国较早地意识到碳纤维的研制和生产对军事工业发展和国民经济具有重要作用，早在20世纪60年代末就开始研制碳纤维，经过40余年的发展，碳纤维从无到有，从研制到生产取得了一定的成绩。但总的来说，国内碳纤维的研制与生产水平还较低，一直没有在高标号碳纤维研究上取得突破性进展。我国碳纤维产业未实现大规模工业化生产，产品规格单一。近些年来，由于我国对碳纤维需求量的日益增加，碳纤维又成为国内新材料业研发的热点。但是，除极个别企业外，大多数引进项目的技术和设备水平属国际中下等，生产的碳纤维产品也未达到高端水平。引进后的消化、吸收与创新是碳纤维行业面临的重大课题。[4]我国碳纤维工业与先进国家相比存在15年左右的差距，我们还不能生产高强中模碳纤维，T300仍处于产业化阶段。实验室研制高强中模碳纤维虽然取得长足进步，但产业化仍有一段路要走。在国家大力支持和有实力民营企业的介入，缩短产业化时间已具备条件，高强中模碳纤维指日可待。[5]参考文献[1]吴一波.碳纤维复合材料在航空工业中的应用技术(上).玻璃钢,2003,(2):14-21.[2]贺福,孙微.碳纤维复合材料在大飞机上的应用.高科技纤维与应用,2007,32(6):5-8,17.[3王春净,代云霏.碳纤维复合材料在航空领域的应用.机电产品开发与创新,2010,23(2):14-15.[4]顾超英.碳纤维复合材料在航空航天领域的开发与应用.化工文摘,2009,(1):17-21.[5]刘志强.碳纤维复合材料在航空领域的应用.黑龙江科技信息,2013:62.