碳纖維復(fù)合材料在輕型運動飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

李群芳

摘要：由于碳纖維復(fù)合材料具有重量輕、強度高、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、比模量高以及尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點被廣泛地運用到了飛機制造業(yè)中。當(dāng)前全世界幾乎有超過50%的大型客機已經(jīng)采用了這種新型材料，但是將該材料在輕型運動飛機結(jié)構(gòu)中運用還處于初步階段。本文筆者主要從輕型運動飛機的概述入手；探討了當(dāng)前我國碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀；最后就碳纖維復(fù)合材料在輕型運動飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進行了簡單的探討，希望為相關(guān)領(lǐng)域的研究者和工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：輕型飛機；碳纖維復(fù)合材料；應(yīng)用分析

當(dāng)前，輕型運動飛機在國外的發(fā)展速度較快，但是在我國依然處于剛剛起步的階段。因此在制造過程中如何才能降低輕型飛機的制造成本成為了當(dāng)前制造輕型運動飛機的關(guān)鍵問題。根據(jù)西方發(fā)達國家制造輕型運動飛機的經(jīng)驗來看，采用碳纖維復(fù)合材料是當(dāng)前降低輕型運動飛機構(gòu)造成本的有效途徑之一，因此研究碳纖維復(fù)合材料在輕型飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用具有重要意義。

1.輕型運動飛機的概述

輕型飛機顧名思義就是飛機的重量輕、體積小。輕型運動飛機最初在2004年美國聯(lián)邦航空局按照民航提案的相關(guān)要求新推出的一個飛機種類。該類飛機滿足以下要求：①最大起飛重量為600kg（陸地起降型）_—650kg（水上起降型）；②最大平分空速不能大于222km/h；③失速速度要低于83km/h；④既可以單座也可以是雙座；⑤裝配有不可收放式起落架；⑥螺旋槳可以采用固定槳距也可以采用地面可調(diào)槳距；⑦配備的驅(qū)動裝置一般是發(fā)動機或者活塞發(fā)動機1]。

2.當(dāng)前我國碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀分析

當(dāng)前工業(yè)上使用的碳纖維主要是以聚丙烯腈、人造絲或者是木質(zhì)作為原料，并將有機纖維和塑料樹脂進行結(jié)合在高溫的作用下經(jīng)過碳化最終形成的，但是其制取方法不能直接使用碳和石墨。根據(jù)相關(guān)資料顯示：當(dāng)前全世界的碳纖維產(chǎn)能共計約為3.5萬噸，然而中國市場每年的需求量約為6500噸，由此可以看出我國是一個碳纖維消費大國。但是我國不管是在碳纖維的制造水平上還是在碳纖維的應(yīng)用技術(shù)上都跟國外先進技術(shù)還存在的很大的差距。在2007年，我國的碳纖維的產(chǎn)量僅僅在200噸左右，并且絕大部分都被運用到了低性能的產(chǎn)品上，究其主要原因是目前我國企業(yè)依然還沒有掌握碳纖維相關(guān)的核心技術(shù)，從而導(dǎo)致了我國的碳纖維在質(zhì)量上、生產(chǎn)技術(shù)上以及生產(chǎn)規(guī)模上都跟西方國家還有很大差距，很大部分高性能的增強材料都是通過進口的方式來獲得，并且通常成本都較高。缺乏創(chuàng)新與集成和對應(yīng)用領(lǐng)域的擴展不足，在很大程度上制約著我國碳纖維復(fù)合材料工業(yè)的不斷發(fā)展。在充分意識到當(dāng)前我國的高性能碳纖維復(fù)合材料還遠遠不能滿足我國經(jīng)濟的快速、健康和可持續(xù)發(fā)展的需要后，相關(guān)部門制定各項措施組織實施高性能纖維復(fù)合材料高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項項目，主要是重點支持我國高性能碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展，從而滿足我國當(dāng)前經(jīng)濟發(fā)展以及航空產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。

3.碳纖維復(fù)合材料在輕型運動飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

當(dāng)前，碳纖維復(fù)合材料因為自身獨特、卓越的性能特點被廣泛運用在航空領(lǐng)域，特別是在飛機制造業(yè)中運用廣泛。根據(jù)相關(guān)資料顯示：當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料在直升飛機和小型飛機中使用已經(jīng)達到了70%—80%，然而在輕型運動飛機中的應(yīng)用還不到5%主要在以下兩個方面：

3.1碳纖維樹脂基復(fù)合材料在輕型運動飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

由于碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕等突出優(yōu)點，且該材料對重量、疲勞特性以及剛度方面的要求相對嚴格，在溫度高、化學(xué)穩(wěn)定性高的環(huán)境下更適合使用。當(dāng)前碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)成為武器裝備的主要生產(chǎn)材料。當(dāng)前美國軍用飛機的AV—8B改型“鷂”式飛機很多結(jié)構(gòu)都采用了這種復(fù)合材料，其中飛機的機翼、機前身等部位都使用的是石墨環(huán)氧大型部件，從整個飛機的結(jié)構(gòu)來看，使用碳纖維材料幾乎達到了整個飛機重量的26%，從而不僅減輕了飛機的機重，還提高了飛機的有效荷載比。據(jù)顯示：如果將飛機的前身段構(gòu)造采用碳纖維復(fù)合材料跟金屬結(jié)構(gòu)相比質(zhì)量最少減輕30%左右。當(dāng)前隨著對碳纖維復(fù)合性材料的研究逐漸深入，該材料逐漸被運用到微型飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，很多國外輕型運動飛機和無人駕駛飛機已經(jīng)基本上實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化。例如：將輕型運動飛機大約25%重量的部件采用復(fù)合材料，其中幾乎約22%就是采用碳纖維增強塑料。因為該種材料具有減輕重量和不容易出現(xiàn)疲勞或者被腐蝕等性能，能夠有效降低輕型運動飛機的油耗和排放。跟直接競爭機型相比，輕型運動飛機的燃油經(jīng)濟性要低13%左右，有效降低了輕型飛機構(gòu)造的成本[2]。

3.2碳/碳復(fù)合材料輕型運動飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

碳/碳復(fù)合材料主要指的是將碳纖維以及碳纖維制品作為增強材料的復(fù)合型材料。由于碳/碳復(fù)合材料的組成元素只有碳元素一種，所以碳/碳復(fù)合材料具有碳和石墨材料共同的優(yōu)點，如：碳/碳復(fù)合材料的密度較低、導(dǎo)熱性能好，也就是碳/碳復(fù)合材料擁有高的熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)，從而能夠有效承受很高的溫度和較大的加熱速率，能夠有效的對抗熱沖擊，就算在溫度高和超高的環(huán)境中也不能改變碳/碳復(fù)合材料的高強度、模量以及高化學(xué)的性質(zhì)。碳/碳復(fù)合材料憑借自身質(zhì)量輕、難以融化的優(yōu)點，被廣泛地運用到了航空航天事業(yè)中。例如：在輕型飛機軌道的鼻錐和機翼的前緣部分就采用的是碳/碳復(fù)合材料。除此之外，當(dāng)前還將碳/碳復(fù)合材料這種材料用于輕型飛機的剎車片，由這種材料制成的剎車片不僅質(zhì)量輕、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、抗熱沖擊性好，還具有可設(shè)計強、操作方便以及使用壽命長等優(yōu)點，除此之外，碳/碳復(fù)合材料也可以被運用到輕型飛機中一些發(fā)熱元件、緊固件、渦輪發(fā)動機的葉片以及內(nèi)燃機活塞等等。

3.3總結(jié)

綜上所述，我國在發(fā)展碳纖維復(fù)合材料做出了不懈努力，并且經(jīng)過多年的不懈努力，所取得的成效和進步也是巨大的，雖然當(dāng)前碳纖維復(fù)合型材料應(yīng)用在輕型運動飛機中還處于初步的階段，在一些制造工藝和制造技術(shù)上還有待進一步完善，但是筆者相信，只要我們堅持不懈，一定會開拓出碳纖維復(fù)合材料運用的新天地。

參考文獻：

[1]楊乃賓，章怡寧.復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].航空工業(yè)出版社，2002（11）： 67-80.

[2]燕瑛，任成明.行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計制造與分析技術(shù)的發(fā)展[J].航空制造技術(shù)，2007（12）：64-67.