復(fù)合材料在民用航空飛機(jī)中的應(yīng)用

吳曉春

摘 要：隨著現(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料作為高性能的結(jié)構(gòu)材料和功能材料，在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。本文對幾種復(fù)合材料的性能進(jìn)行了比較，介紹了復(fù)合材料在民航飛機(jī)上的功用，著重闡述了T300碳纖維/樹脂基復(fù)合材料在民航飛機(jī)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 航空航天 碳纖維 飛機(jī)

中圖分類號：TB333 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（b）-0089-02

在民用航空領(lǐng)域復(fù)合材料的應(yīng)用對飛機(jī)減重、耐腐蝕和降低成本有著重要的作用。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用效果，對于飛機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化、小型化和高性能化起著至關(guān)重要的作用，在飛機(jī)抗震動(dòng)動(dòng)穩(wěn)定性、氣動(dòng)彈性、超聲速巡航、過失速飛行控制、耐熱性能、抗沖擊損傷能力、前翼飛機(jī)先進(jìn)氣動(dòng)布局和抗雷擊防護(hù)等方面有著實(shí)際應(yīng)用。

1 復(fù)合材料簡介

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的原材料，通過各種工藝方法組合成的新材料。復(fù)合材料既保持民原材料的某些特點(diǎn)，又具有民原材料所不具備的新特征，并可根據(jù)航空飛機(jī)部件需要進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。復(fù)合材料與單一均質(zhì)材料相比它具有較多的優(yōu)越性，比如質(zhì)量輕、抗震動(dòng)、抗裂紋、耐熱、抗沖擊、防雷擊等方面具有顯著的優(yōu)越性。復(fù)合材料與金屬材料相比在導(dǎo)電性和成形工藝等方面有著顯著差異，復(fù)合材料飛機(jī)密封、靜電防護(hù)和抗雷擊方面的作用十分重要。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上材料獨(dú)立物理相，通過復(fù)合工藝組合構(gòu)成的新型材料。復(fù)合材料既保留原組分材料的主要特點(diǎn)，并通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分材料所不具備的性能。通過材料設(shè)計(jì)可以使各組分材料的性能互相補(bǔ)充、彼此聯(lián)系，從而獲得優(yōu)越性能。

復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)是以實(shí)現(xiàn)高結(jié)構(gòu)效率、減輕飛機(jī)重量、改善飛機(jī)氣動(dòng)彈性和結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性等綜合性能為目標(biāo)的高新技術(shù)，對于民用航空飛機(jī)來說復(fù)合材料的應(yīng)用對減重、耐腐蝕和降低經(jīng)濟(jì)成本有著重要作用，如波音飛機(jī)777∕787和空中客車A330∕A340∕A380上復(fù)合材料的應(yīng)用，標(biāo)志著航空飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展已經(jīng)成熟。

2 幾種復(fù)合材料性能比較

在民用航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的增強(qiáng)纖維主要有碳纖維、玻璃纖維、芳綸和硼纖維。碳纖維因其具有產(chǎn)量高、性能好、纖維類型規(guī)格多、成本低經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn)，在民用航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用最為廣泛。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在航天飛機(jī)艙門、機(jī)械臂和壓力容器等方面有著重要的應(yīng)用。幾種飛機(jī)結(jié)構(gòu)上常用纖維的性能比較如表1所示。

3 復(fù)合材料在民航飛機(jī)上的功用

自20世紀(jì)80年代起，我國將復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)研究列入重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。復(fù)合材料應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了從次承力構(gòu)件到主承力構(gòu)件的轉(zhuǎn)變，復(fù)合材料的垂直安定面﹑水平尾翼、方向舵、前機(jī)身等構(gòu)件已在多種型號飛機(jī)上使用，帶整體油箱復(fù)合材料機(jī)翼等主承力結(jié)構(gòu)已裝機(jī)試飛成功。先進(jìn)復(fù)合材料在我國民用航空上已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

（1）復(fù)合材料在機(jī)翼上的功用。機(jī)翼采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率，改善飛機(jī)氣動(dòng)彈性、飛行品質(zhì)、控制特性的重要技術(shù)途徑之一。機(jī)翼結(jié)構(gòu)是民用航空飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)，機(jī)翼承受著多種高載荷，翼面外形較為復(fù)雜，在機(jī)翼翼面設(shè)計(jì)上有許多特點(diǎn)。復(fù)合材料的應(yīng)用保證了機(jī)翼表面光滑和外形的準(zhǔn)確性，滿足了翼面包括外翼和中翼的氣動(dòng)彈性要求，其剛度和強(qiáng)度滿足了飛機(jī)的穩(wěn)定性和壽命要求。而且復(fù)合材料的應(yīng)用對民用航天飛機(jī)在檢查維護(hù)過程中具有良好的使用維護(hù)性和可修理性。

（2）復(fù)合材料在民用航空飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)上的功用。機(jī)身是飛機(jī)的軀干，其上連接著機(jī)翼、尾翼、起落架和發(fā)動(dòng)機(jī)等部件，它們互相連接固定在一起，組成了一架完整的飛機(jī)。復(fù)合材料在民用航空飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用保證了機(jī)身承受各裝載物的質(zhì)量力和各連接部件受力構(gòu)件載荷的協(xié)調(diào)傳遞。為了民用航空飛機(jī)降低成本，一般在機(jī)身、機(jī)翼和尾翼等部位使用同一種碳纖維復(fù)合材料。

4 碳纖維復(fù)合材料在民航飛機(jī)上的應(yīng)用

碳纖維是以化纖和石油產(chǎn)品經(jīng)特殊工藝制成的纖維，是碳含量在百分之九十以上的高模量和高強(qiáng)度纖維。具有高強(qiáng)度、高模量、質(zhì)量比鋁輕、耐腐蝕等特性，碳纖維復(fù)合材料以其獨(dú)特和卓越的理化性能在民用航空飛機(jī)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

隨著碳纖維和基體樹脂性能和產(chǎn)量的不斷提高，而碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在耐濕熱性能和斷裂延伸率方面也得到顯著改善和提高。由于其性能的改善，碳纖維和基體樹脂在民用航天飛機(jī)上的應(yīng)用已由次承力結(jié)構(gòu)材料逐步發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)材料，拓寬了碳纖維和基體樹脂在民用航天飛機(jī)工業(yè)中的應(yīng)用。

將碳纖維/環(huán)氧和碳纖維/雙馬復(fù)合材料大大提高了耐腐蝕和抗疲勞的特性，而且因其質(zhì)量輕具有明顯的減重作用，在飛機(jī)的機(jī)身和尾翼等部位有廣泛應(yīng)用。目前，T300級和T700級小絲束碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了民用航天飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用在航天飛機(jī)艙門和壓力容器，其中最關(guān)鍵是航天飛機(jī)的熱瓦，可以保證其能安全地重復(fù)飛行，而增強(qiáng)碳/碳材料RCC可以使航天飛機(jī)承受大氣層所經(jīng)受的最高溫度1700 ℃。

5 結(jié)語

隨著航空航天科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維的產(chǎn)量和質(zhì)量的不斷提高，民用航空飛機(jī)使用復(fù)合材料會使飛機(jī)變得更加輕巧和強(qiáng)固，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)化，提高了燃油利用效率，使民用航空飛機(jī)提高了運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性和耐用性。各種性能優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料將會越來越多地出現(xiàn)在民用航空航天領(lǐng)域中，為世界民用航空航天技術(shù)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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