先進復材技術在航空領域的應用

710089 中航飛機研發中心 陜西 西安|王桂華

?

先進復材技術在航空領域的應用

710089 中航飛機研發中心 陜西 西安|王桂華

樹脂基先進復合材料是二十世紀六十年代中期崛起的一種新型材料，一經問世就顯示了它強大的生命力。目前，先進復合材料在航空航天器結構上已獲得了廣泛應用，成為航空航天領域四大結構材料之一。推動了國民經濟諸多領域的技術創新和發展。展望未來，先進復合材料的發展將會日新月異，蒸蒸日上。復材技術；航空；應用

先進復合材料在航空領域的應用現狀

復合材料在航空領域的應用非常廣泛，在4-8座輕型飛機中，占全機結構的90%以上，主要應用于機身、機翼、尾翼、內裝飾、地板；在直升機中，占全機結構的70%左右，主要應用于機身、機翼、內裝飾；在隱身飛機中，占全機結構的50%左右，主要應用于機身、機翼、尾翼、內裝飾；在民用飛機中，占全機結構的7～30%，主要應用于尾翼、平尾活動艙面、整流罩、內裝飾、地板。

先進復合材料為什么能獲得廣泛的應用

a具有優異的比強度、比模量性能

b基于復合材料各向異性和可設計性的特點，可按結構載荷分布狀況，實現復材結構的最佳設計，實施整體性設計，減少零件和緊固件數量，有效地減輕結構重量，提高成本效益。

c具有良好的抗疲勞性能、減震性能、耐燒蝕性能和吸波、消音性能。

d工藝性好

隨著復合材料品種的系列化發展，預浸設備、自動鋪帶機、數控加工（制孔、銑切等）設備的出現。復合材料制造工藝正朝著自動化、數字化方向發展、CAD / CAM一體化設計制造技術、熱壓罐固化工藝、RTM及纖維纏繞等技術已日趨成熟，為復合材料構件成型奠定了可靠的基礎。復合材料工藝最大特點是容易成型任意型面的零件，可成型出共固化或整體式結構，工序少、時間短、產品更新快。

先進復合材料技術的發展趨勢

a碳纖維品種增多，規模增大，價格趨降。特別是高強、高模，大絲束碳纖維研制加快，為先進復合材料應用奠定了基礎。

PAN（聚丙烯晴）基碳纖維是當今發展規模最大產銷量最多的一類碳纖維，目前T300的抗拉強度已提高到3.56Gpa，成為世界公認的通用級碳纖維。T1000抗拉強度提高到7.02Gpa。目前實驗室數據已達到8.05Gpa，使碳纖維的高強度工作邁出重大步伐。

石墨晶體的理論強度為180Gpa，目前碳纖維產品的強度與理論強度相差甚遠，僅達4.76%，潛力極大。

b從HEXEL、ACG公司開發的預浸料的產品，為我們工程應用的選擇以及預浸料研究得到了許多啟示。

HEXEL是世界馳名的復材公司，他不僅研制生產AS、IM、UHM三個系列碳纖維及織物，而且開發研制了品種多，配套的預浸料，包括碳纖維預浸料、芳綸預浸料和玻璃纖維預浸料，這些預浸料產品涵蓋了極廣的使用溫度范圍，實現了多個領域的應用。其中雙馬預浸料是先進軍機使用的結構材料，最高使用溫度達275℃。913、914、916、6376等環氧基料已在宇航、飛機得到應用。使用溫度可達75～180℃，酚醛基料使用溫度可達80～200℃。

ACG是英國先進復合材料集團的縮寫，該公司研制的低溫固化、高溫使用預浸料，首先被用于復合材料工裝上，提高了工裝的型面精度，積累了復材工裝材料的選擇經驗。從HEXEL、ACG公司預浸料的發展狀況看出，使用溫度275℃以下的預浸料，室溫或較低溫度固化，高溫使用的預浸料已實現多樣化、系列化、專門化的需求，規模生產、降低成本，將是工業領域推廣應用的重要問題。

c隨著復合材料品種增多，新設備的出現，復材制造技術也向著多樣化、精細化、自動化方向發展。

雖然熱壓罐成型仍是復材構件制造的主要方法，但是纖維纏繞和拉撥、烘箱/熱壓機成型、以及壓注成型工藝已有了長足的發展。特別是一批先進制造技術的出現有力地改善了復材制品的性能，提高了制造精度與效率，避免了人為偏差，增強了復材構件的可靠性和重現性。

結語

通過對復合材料力學性能、工藝性能的闡述對比，先進復合材料具有著不可比擬的優越性。目前，復合材料在國外A350和波音787飛機上所占的比例高達50%以上，而國內的飛機上所占的比例比較低，故而先進復合材料在航空領域應用前景十分廣闊。不僅僅應用其制作功能性產品，減輕結構重量，提高產品性能，而且會越來越多地用其制作次受力、主受力的構件，成為宇航主結構材料之一。

參考：

［1］益小蘇.先進復合材料發展動態研討會會議簡訊，材料工程，2002 年07期

［2］陳紹杰.先進復合材料的近期發展趨勢，材料工程，2004年09期

［3］蘇興.先進復合材料更應是結構，中國建材報，2009年