碳纖維復(fù)材技術(shù)在航空領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用研究

【摘? 要】 在航空領(lǐng)域內(nèi)，質(zhì)量決定著飛行器的性能，而對(duì)于帶發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器而言，質(zhì)量更是影響其先進(jìn)性的重要因素，也是影響其設(shè)計(jì)性能的關(guān)鍵因素，輕量化是航空領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)和導(dǎo)向。碳纖維復(fù)合材料的高比強(qiáng)度和高比模量的性質(zhì)使得碳纖維在航空領(lǐng)域內(nèi)有著不可多得的材料性能優(yōu)勢(shì)，比傳統(tǒng)的鋁合金，鈦合金等金屬材料性能更為優(yōu)越，在航空領(lǐng)域內(nèi)有著廣闊的應(yīng)用天地。

【關(guān)鍵詞】飛行器;碳纖維;復(fù)合材料;輕量化

Abstract： In the field of aviation， weight determines the performance of the aircraft， and for the aircraft with engines， weight is an important factor affecting its advancement， it is also a key factor affecting its design performance. Lightweight is an important design index and guidance in the field of aviation. The properties of high specific strength and high specific modulus of carbon fiber composites make it have a rare material performance advantage in the field of aviation.? It is better than the traditional aluminum alloy， titanium alloy and other metal materials， and it is widely used in the field of aviation.

Keywords： aircraft; composite materials; carbon fiber; lightweight

引言

復(fù)合材料（Composites，Composite materials），由異質(zhì)，異性，異形的有機(jī)聚合物，無(wú)機(jī)非金屬，金屬等材料作為基體或增強(qiáng)體，通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的材料。復(fù)合材料的三大特點(diǎn)使得先進(jìn)復(fù)合材料已與鋁合金，鈦合金，合金鋼并稱(chēng)為航空航天的四大結(jié)構(gòu)材料。各向異性和材料可設(shè)計(jì)性是復(fù)合材料的最大特點(diǎn)。復(fù)合材料的性能取決于基體，增強(qiáng)體和其含量，鋪設(shè)方式。通過(guò)組分材料的選擇和匹配以及界面控制等手段，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，用最少的材料滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，有效發(fā)揮材料的作用。

與普通纖維增強(qiáng)材料不同，復(fù)合材料比強(qiáng)度可以高出鋁合金6-10倍，比模量高出4倍，既可用于航空航天飛行器、導(dǎo)彈火箭等國(guó)防軍工領(lǐng)域，又可廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、汽車(chē)零部件、高壓氣瓶等廣泛民用工業(yè)領(lǐng)域，技術(shù)附加值高，政治敏感性強(qiáng)，其戰(zhàn)略?xún)r(jià)值不言而喻。

以飛機(jī)設(shè)計(jì)而言，減輕結(jié)構(gòu)重量對(duì)其具有特殊而重要的意義，減重是其永恒的主體，而復(fù)合材料能夠帶來(lái)20%-30%的減重，這是其他手段所無(wú)法達(dá)到的。國(guó)際先進(jìn)軍民機(jī)中，復(fù)合材料用量已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)。

1.碳纖維與國(guó)外航空領(lǐng)域

碳纖維的應(yīng)用涵蓋我們生活的方方面面，汽車(chē)輕量化需求使得碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。風(fēng)電領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求也在大幅度增長(zhǎng)。在航空領(lǐng)域內(nèi)碳纖維復(fù)合材料更有廣闊的應(yīng)用天地。60年代發(fā)展起來(lái)的碳纖維復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)（Automated Placement Technology，APT），突破了大尺寸復(fù)合材料零件依賴(lài)手工成型的瓶頸，由初始的自動(dòng)鋪帶技術(shù)（Automatic Tape Placement，ATL）經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)發(fā)展成自動(dòng)鋪絲技術(shù)（Automatic Fiber/Tow Placement，AFP/ATP），具有高效、高精度和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，適用于民用或軍用運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)預(yù)警機(jī)等飛行器大型復(fù)合材料零件的制造。

70年代，民機(jī)上復(fù)合材料的應(yīng)用從操縱面推廣到用于位移安定面這類(lèi)次承力面。目前，國(guó)外投入使用的民機(jī)上，尾翼基本上都采用了復(fù)合材料，為了進(jìn)一步將復(fù)合材料擴(kuò)大用于機(jī)翼和機(jī)身這一類(lèi)主結(jié)構(gòu)，美國(guó)先后贊助執(zhí)行了ACT計(jì)劃和AST計(jì)劃以及CAI計(jì)劃;在歐洲則實(shí)施了TANGO和ALCAS計(jì)劃，目的在于提供制造成本上有競(jìng)爭(zhēng)力的復(fù)合材料機(jī)翼和機(jī)身技術(shù)。同時(shí)，在包括自動(dòng)鋪絲技術(shù)ATP等工藝技術(shù)和制造設(shè)備的發(fā)展下，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件也由簡(jiǎn)單形狀到復(fù)雜零件，零件向整體成型過(guò)渡，在這些國(guó)家計(jì)劃的支持下，復(fù)合材料技術(shù)得到了快速而系統(tǒng)的發(fā)展。

在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用也方興未艾。碳纖維在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)有人軍用飛機(jī)的應(yīng)用水平。1986年，英國(guó)“不死鳥(niǎo)”無(wú)人機(jī)是最早的全復(fù)合材料無(wú)人機(jī)。1995年，美國(guó)空軍研制“全球鷹”高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人偵察機(jī)，機(jī)身主結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料，機(jī)翼、尾翼、后機(jī)身、整流罩等均采用先進(jìn)復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)總重的65%。2001年，美國(guó)通用原子公司制造“捕食者”中空長(zhǎng)航時(shí)多用途無(wú)人機(jī)，大量使用先進(jìn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，約占結(jié)構(gòu)總重的92%。

2.我國(guó)碳纖維復(fù)材在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)的復(fù)合材料事業(yè)起步于上世紀(jì)六十年代，四十多年來(lái)我們?nèi)〉昧艘欢ǖ某煽?jī)和進(jìn)展，但是與世界先進(jìn)水平比，我們應(yīng)用的規(guī)模與水平，設(shè)計(jì)的方法與觀念，材料的基礎(chǔ)與配套，層合固化工藝及裝備還相當(dāng)落后。很多先進(jìn)的設(shè)備還必須依賴(lài)進(jìn)口，而西方對(duì)很多高性能復(fù)合材料裝備都實(shí)行嚴(yán)格的管制，成為制約新型碳纖維復(fù)合材料在我國(guó)普及、應(yīng)用和發(fā)展的重要因素。

在碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用方面，我國(guó)起步階段嚴(yán)重滯后于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，經(jīng)過(guò)近十多年的努力，我國(guó)高性能纖維穩(wěn)步發(fā)展，技術(shù)裝備水平持續(xù)提升，且品種齊全，產(chǎn)能規(guī)模已居世界前列，產(chǎn)品已能滿(mǎn)足國(guó)防軍工需求，在民用航空、交通能源等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

在民航領(lǐng)域，C919無(wú)疑是具有典型代表的機(jī)型。從2017年首飛，中國(guó)民航隨之開(kāi)啟了新的篇章。在國(guó)際民機(jī)大量采用碳纖維復(fù)合材料的背景下，C919飛機(jī)采用了12%的復(fù)合材料（結(jié)構(gòu)重量而言），主要部位有水平尾翼，垂直尾翼等。雖然國(guó)外先進(jìn)客機(jī)A350，B787等復(fù)合材料用量已經(jīng)達(dá)到了50%以上，但如此大規(guī)模的采用碳纖維復(fù)材依然是國(guó)內(nèi)尚屬首次。其意義深遠(yuǎn)，在波音和空客兩分天下的情況下，為我國(guó)在民航領(lǐng)域的發(fā)展開(kāi)辟了一條生路，但是與國(guó)外的民航相比，我國(guó)民航領(lǐng)域復(fù)材的應(yīng)用尚有很大的差距。

在軍用有人機(jī)領(lǐng)域，我國(guó)從上世紀(jì)60年代末開(kāi)始在復(fù)合材料及其飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用研究，70年代中期研制成功了第一個(gè)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)件—某殲擊機(jī)進(jìn)氣道壁板開(kāi)始，到復(fù)合材料垂尾的戰(zhàn)斗機(jī)首飛上天，再到帶有整體油箱的殲擊機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼研制成功，這標(biāo)志著復(fù)合材料在我國(guó)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用上了一個(gè)臺(tái)階，目前，幾乎所有的在研飛機(jī)均不同程度地帶著復(fù)合材料部件。

在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，2011年中航工業(yè)成飛推出“翔龍”高空高速無(wú)人偵察機(jī)，大量采用結(jié)構(gòu)與功能復(fù)合材料，使得無(wú)人機(jī)具有較好的強(qiáng)度剛度。2012年。由中航工業(yè)成飛研制的“翼龍”中低空長(zhǎng)航時(shí)多用途無(wú)人機(jī)，其外形酷似“捕食者”無(wú)人機(jī)，但由于大量采用先進(jìn)復(fù)合材料并改進(jìn)制造工藝，使得“翼龍”無(wú)人機(jī)性能不低于“捕食者”，卻擁有更低的成本與售價(jià)。同時(shí)，由航天十一院研制的新型彩虹太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)成功完成臨近空間飛行試驗(yàn)，相比于其它類(lèi)型無(wú)人機(jī)，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)受可用功率限制，對(duì)飛行質(zhì)量更為敏感，而航天十一院大量使用碳纖維等先進(jìn)復(fù)合材料，并結(jié)合超輕質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造工藝方法，初步解決了總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)難題。

碳纖維復(fù)合材料在地基防空導(dǎo)彈上面也有大量應(yīng)用，其主要的應(yīng)用方向是導(dǎo)彈艙體，舵翼面以及發(fā)動(dòng)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)。例如美國(guó)的空中防御反坦克系統(tǒng)，法國(guó)響尾蛇VT-1反坦克導(dǎo)彈，等均采用碳纖維復(fù)合材料殼體。同時(shí)碳纖維復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上面也有應(yīng)用，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體容積特性系數(shù)，隨著所用材料質(zhì)量的輕量化而得到提高。

在空空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中，真正應(yīng)用于產(chǎn)品上的復(fù)合材料并不多，在導(dǎo)彈系統(tǒng)上，主要應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管，主要是陶瓷基復(fù)合材料。由于導(dǎo)彈嚴(yán)酷的使用工況，碳纖維復(fù)合材料在導(dǎo)彈系統(tǒng)尚未真正應(yīng)用，在導(dǎo)彈發(fā)射裝置領(lǐng)域內(nèi)，目前也正在進(jìn)行復(fù)合材料在該領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用研究，尚未真正的應(yīng)用到產(chǎn)品上。

3.結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外航空領(lǐng)域內(nèi)先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用情況進(jìn)行了對(duì)比和分析，得出近年來(lái)，先進(jìn)復(fù)合材料在國(guó)際航空領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。但我國(guó)高性能碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用技術(shù)和研究水平跟國(guó)外仍然存在一定的差距。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的不斷提升，ATP，RTM等工藝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，高性能碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域內(nèi)必將得到更好的發(fā)展與應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：蘇斌山（1984-），男，甘肅武威人，工程師/碩士研究生，研究方向?yàn)榘l(fā)射裝置電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，復(fù)合材料應(yīng)用研究。