碳纖維復合材料在飛機結(jié)構(gòu)上的應用

宋興龍

摘 要：本文首先介紹了碳纖維復合材料的優(yōu)勢，以及在飛機結(jié)構(gòu)上應用的必要性，之后闡述了碳纖維復合材料在飛機上應用的相關要求。

關鍵詞：碳纖維復合材料；飛機結(jié)構(gòu)；必要性；應用要求

作為一種纖維狀的碳素材料，碳纖維的含碳量超過90%，與其他性能較高的纖維材料進行比較，碳纖維復合材料的力學特征更為優(yōu)異。而飛機和航天飛機的結(jié)構(gòu)，要求具有高強度質(zhì)量比和高剛度質(zhì)量比的結(jié)構(gòu)，是典型的對總質(zhì)量敏感的結(jié)構(gòu)，而碳纖維復合材料正是由于具有的良好性能，因此時飛機制造業(yè)中最為理想的材料，在飛機制造業(yè)當中得到了非常廣泛的應用。此外，伴隨當前飛機性能的越來越高的要求，在航空領域當中復合材料的應用更是發(fā)展迅猛。

1 碳纖維復合材料的優(yōu)勢以及在飛機結(jié)構(gòu)上應用的必要性

在20世紀60年代中期，黨以碳纖維作為增強體的先進復合材料一出現(xiàn)，就于70年代被在飛機結(jié)構(gòu)上應用。和金屬材料進行比較，先進的碳纖維復合材料主要選取的是石墨、碳、芳綸以及硼作為纖維，而其中的碳纖維更是采用的人造絲、聚丙烯睛以及石油瀝青等有機物的熱解而制作的。通常來看，假如此類纖維的彈性模量出現(xiàn)了增大的現(xiàn)象，那樣其抗拉強度就會降低。由于碳纖維是先進加強件上應用最為通用的纖維材料，所以受大了航天飛機的青睞，應用的最為廣泛。應用先進復合材料，不論是對飛機結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化，還是模塊化方面都具有非常關鍵的作用。隨著復合材料設計和制造技術的不斷發(fā)展和成熟，先進復合材料在軍、民用飛機上的用量也在不斷擴大。復合材料用量的劇增，帶動了復合材料產(chǎn)業(yè)的專業(yè)化和規(guī)模化發(fā)展，使先進復合材料正逐漸的成為更為穩(wěn)定和成熟的航空材料。目前，復合材料已經(jīng)和鋁、鋼、欽共同成了航空結(jié)構(gòu)的4大材料。

因為復合材料具有較高的比剛度和比強度等優(yōu)異特性，因此在飛機結(jié)構(gòu)上得到了越來越廣泛的應用。從當前我國新研制的飛機來看，不僅可以在垂尾、水平安定面以及副翼等結(jié)構(gòu)上采用復合材料，同時在機翼翼盒和機身等主結(jié)構(gòu)上也可以采用復合材料，使得結(jié)構(gòu)一體化程度高，系統(tǒng)安裝較為簡單，減少零部件數(shù)，縮短總裝時間。復合材料非比尋常的物理特性和可設計性，以及近年來生產(chǎn)成本的降低，加速了飛行器結(jié)構(gòu)選材從金屬材料向復合材料轉(zhuǎn)變的進程。另外，復合材料的應用具有可使飛機結(jié)構(gòu)減重10%～40%、結(jié)構(gòu)設計成本降低15%～30%的優(yōu)勢。面對較高的燃油價格和越來越嚴格的污染物排放標準，復合材料能使飛機減重的優(yōu)點，就顯得特別的重要。

2 碳纖維復合材料在飛機上應用的相關要求

2.1 碳纖維復合材料的結(jié)構(gòu)設計方面的要求

碳纖維復合材料擁有自身特殊的性能特征，因此在設計碳纖維復合材料的結(jié)構(gòu)時，要充分考慮其破壞機理，不要只是對金屬的結(jié)構(gòu)的設計方法照抄照搬，這樣所設計出的碳纖維復合材料在性能上就可能不如金屬材料。因此，為使飛機結(jié)構(gòu)上碳纖維復合材料的應用能夠更好發(fā)使其具有的優(yōu)勢發(fā)揮出來，進而設計出成本低性能優(yōu)的復合材料。而為了可以使碳纖維復合材料的設計技術更加的有效，就要強化碳纖維復合材料設計人才的培養(yǎng)，從而促進碳纖維復合材料研結(jié)構(gòu)設計水平的提升。

2.2 碳纖維復合材料抗沖擊性能方面的要求

碳纖維復合材料應是否可以更好的應用在飛機結(jié)構(gòu)上，沖擊損傷是其中最為重要的影響。一般會將CAI@6.7Jhmn作為對碳纖維復合材料抗沖擊性能進行評定的技術指標，然而在實際上，在飛機結(jié)構(gòu)上應用碳纖維復合材料，要對中厚蒙皮使用的損傷容限性能，以及對薄蒙皮與薄面板夾層結(jié)構(gòu)使用的損傷阻抗性能兩個方面都要進行考慮。對于飛機上的不同部位來說，應該使用力學性能不同的碳纖維復合材料，所以對碳纖維復合材料的性能指標進行評定時就需要對各個指標參數(shù)進行綜合評定。

2.3 碳纖維復合材料在飛機結(jié)構(gòu)使用上的限制范圍

碳纖維復合材料以其優(yōu)良的力學性能夠使飛機的結(jié)構(gòu)質(zhì)量得以有效降低，同時也使得善飛機的結(jié)構(gòu)性能得以改善。隨著航空航天領域的不斷發(fā)展，碳纖維復合材料在軍用民用飛機上的應用比例會更加的提高。然而就當前來看，碳纖維復合材料的價格仍然很高，因此在民用客機上，碳纖維復合材料的應用比例還較低，因此在對復合材料進行應用的過程中依然應該對價格/性能比進行考慮。當前，碳纖維復合材料占結(jié)構(gòu)總量的1/4，而從原材料的工藝水平以及價格方面來看，短期內(nèi)民用飛機的碳纖維用量適合控制在這個比例范圍之內(nèi)。

2.4 碳纖維復合材料成本控制方面的要求

要在飛機結(jié)構(gòu)上更為廣泛的應用碳纖維復合材料，對其應用的成本進行有效的控制十分的關鍵。從成本控制來看，可以通過兩個方面來實現(xiàn)，分別是降低碳纖維和復合材料的制備成本以及成型技術的成本兩個方面。復合材料在制備的過程中碳纖維、碳布、預浸料和基體樹脂等原材料都能夠從預算上進行控制，然而需要注意的是不可以利用對價格的犧牲來換取成本的降低，而是要從生產(chǎn)規(guī)模、技術方案以及技術路線等方面進行控制。同時，還應該對復合材料制備新技術不斷的進行優(yōu)化，從而達到生產(chǎn)周期縮短、生產(chǎn)效率提高、廢品減少、質(zhì)量提高的目的。

3 結(jié)語

碳纖維復合材料的力學性能十分的優(yōu)異，和其他性能較高的纖維材料進行比較，都具有最高比的模量和強度，即使是在超高溫的狀態(tài)下碳纖維的強度也不會因此而下降，故而在飛機制造業(yè)中得到了廣泛的應用，然而因為其技術所具有的限制，導致目前在飛機結(jié)構(gòu)上還無法完全的對該種材料進行應用，所以仍要進一步的對其進行探討和研究。

參考文獻

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（作者單位：沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司）