碳纖維復合材料在飛機結構中的應用初探

楊揚 馮立男

摘要：隨著科學技術水平的提高，材料制造技術也不斷發展，通過不同的材料進行融合創造出很多性能優良的復合材料，其中碳纖維復合材料就是其中的代表。碳纖維復合材料，具有強度大、耐高溫、穩定性好、重量輕等特點，并且還能屏蔽電磁，非常適用于航空航天器材的制造。本文通過對碳纖維復合材料的優點進行分析并初步說明其在飛機結構中的使用方法，希望對航空航天材料的選擇提供借鑒。

關鍵詞：碳纖維復合材料;飛機結構;運用

引言：復合材料是把一種較為穩定的材料作為基體，使用另外一種或者幾種材料對機體進行組合形成的新的材料。各種材料形成優勢互補，使復合材料的性能能滿足各種不同的需求。由于復合材料功能強大，且造價并不昂貴逐漸被人們重視，特別是對于航空航天工業來說，復合材料是制造航天器材的不二之選，發展前景廣闊[2]。

一、碳纖維材料的優點

復合材料是有幾種性能良好的材料通過一定工序合成的新型材料通常具備多種優越的性能，適用于很多領域。碳纖維復合材料和一般金屬相比具有耐高溫、安全性強、可塑性強、強度大重量輕、減震性能好、抗疲勞性能好等優勢。

（一）耐高溫性能優越

復合材料通常具有非常好的耐高溫性能，碳纖維復合材料具有一般復合材料的特點，導熱率非常小耐高溫性能優良，非常適用于航天器材制造能有效減少空氣摩擦產生熱量對航空器的影響。

（二）結構穩定，安全性強

在碳纖維復合材料的基體中，有成千上萬根獨立的纖維。當碳纖維材料制成的構件超載導致少量纖維斷裂時，載荷會分配傳遞到其他未被破壞的纖維上，所以碳纖維復合材料制成的構建不會在短時間內失去承載能力，可以為構件的修復準備時間。

（三）易塑性

碳纖維材料具有非常好的可塑性，在使用其他金屬材料制造構件時需要高溫融化后進行澆筑，而碳纖維復合材料可以進行塑形后固化，使構建的制造更加容易，消耗更小。

（四）比鋼度大且重量輕

材料的強度除以密度稱為比強度，材料的剛度除以密度稱為比剛度。這兩種數據是衡量材料承載能力的重要標準。碳纖維復合材料的比強度和比剛度較之普通的合金具有非常明顯的優勢，并且強度和剛度大。強度大、重量輕是非常好的航天材料。

（五）減震性能好

碳纖維復合材料中纖維和基體界面的阻尼較大，因此具有較好的抗震性，而抗震性能是飛機等航空器在飛行過程中所必須具備的性能，只有具備良好的抗震性，才能減少氣流對機體的影響，使航天器材能夠平穩飛行。此外，良好的抗震性能還可以用于橋梁建設，減少橋梁震動的衰減時間使橋梁更加耐用。

（六）抗疲勞性能好

碳纖維材料的抗疲勞性能優于一般的金屬，一般金屬的疲勞強度為抗拉強度的40～50%，而復合材料可以達到70～80%甚至更高。并且，復合材料在疲勞斷裂時，是從機體開始的然后逐漸向纖維和基體界面上擴展，不會發生突然斷裂的情況。因此，復合材料在破壞前會有征兆，可以對其進行修補。碳纖維材料也有較好的抗聲震疲勞性能，可用于飛機螺旋槳的制造，而且使用壽命更長。

二、碳纖維復合材料在飛機結構中的應用原則

飛機作為目前世界上最快的交通工具，具有非常大的優勢，飛機航行只對天氣狀況有要求。因為在空中飛行不會發生交通事故，如果機身或者動力系統出現問題，那么飛機將很難獲救，所以飛機既是最安全的交通工具也是最危險的交通工具。飛機起飛前都會對動力系統進行檢修，所以一般情況下動力系統不會出現故障;而飛機因為速度很快在空中需要承受非常大的壓力和氣流的托力，因此制造飛機的材料必須要強度大且重量相對要小，此外還要具備經濟性和實用性。

（一）安全性

安全性是飛機制造首先要考慮的因素，也是復合材料考慮的因素。碳纖維復合材料在強度、和耐疲勞性能上都優于之前的飛機制造材料，且碳纖維復合材料已經能夠用于制造火箭、航天衛星、導彈等飛行危險性更大的器材，所以能夠滿足飛機所需要的安全性能。并且，材料的安全性能和制造技術的成熟度有著密切的關系，而當前的碳纖維材料生產技術已經相當成熟，所以碳纖維復合材料制成的飛機組件安全性能能夠有保障。

（二）經濟性

對于航空公司來說，飛機的運行成本不僅僅是購買飛機時的價格，還需要計算飛機的油耗、維修成本、和使用壽命等問題，而使用碳纖維復合材料建造飛機的主體，那么成本不會很高，而且由于材料性能較好，所以使用年限相對較長、材料比重輕，飛機航行所消耗的油料也相對較少，所以使用碳纖維復合材料制造飛機，更加經濟。

（三）實用性

對于乘客來說，飛機的舒適性也是比較重要的，通常飛機由于自重問題而不能設計的過于寬大，否則不僅油耗大而且航行所需動力大。但是利用復合材料制造而成的超寬體A350科技，由于其機身使用的復合材料占整個飛機的一般重量，相對于其他客機客艙更寬、并且還能為乘客提供休息倉受到了很多人的歡迎。

所以，把復合材料應用到飛機結構中會產生很大的經濟優勢，并且符合飛機制造選用材料的原則。

三、航空復合材料的發展

由于復合材料用途廣泛、性能優越、且成本不高利潤豐厚，所以逐漸被越來越多的國家所重視，當前，復合材料工業已經進入了高速發展階段。特別是在航空領域，復合材料的應用更加深入，飛機上的航空復合材料占比越來越高。而飛機上廣泛使用的樹脂復合材料技術也獲得了不斷的發展。

（一）耐熱性

因為復合材料多用于機翼機身等主要的承力結構中，而飛機在飛行時與空氣發生作用，使這些結構的溫度能達到150℃，并且根據飛行速度的不同可能更高。當前各國都開始研制飛行速度更高性能更好的飛機，這就要求材料的耐熱性要更好。

當前已經出現了更多耐熱性極好的復合材料，如：環氧復合材料、雙馬來酰亞胺（BMI）復合材料、聚氰酸酯樹脂、EX-1509樹脂等，其中聚氰酸酯樹脂具有優異的耐熱性和耐濕性并且電性能非常突出，當前主要用于制造雷達天線罩。

（二）提升韌性

隨著軍事戰略的需要，各國也不斷加強對戰斗機等速度更快的飛行器的研究，這也加強了對復合材料韌性的需求。

波音公司就制定高韌性和耐濕熱復合材料的開發目標，要求沖擊后壓縮強度（CAI）值大于320Mpa，濕熱壓縮強度大于1000Mpa。而我國在樹脂增韌方面也做了大量研究工作，如北京航空材料研究院研制的2285改性環氧樹脂（T300/5228）復合材料的CAI值達227Mpa和290Mpa，任性和國外同類材料基本持平。

（三）降低成本

過去為了國防科技發展的需要，過度重視材料性能，隨著世界上戰爭減少、環境趨于穩定各國開始考慮降低材料成本。

制造工藝是降低復合材料成本的關鍵。先進復合材料傳統的成型方法多采用手工鋪層的熱壓罐工藝，但是由于其具有工勞動量大、工時費用高、原材料利用率低、熱壓罐設備投資大、成本高等缺點，已經不適合當前的要求。當然。新的、更加節省成本的工藝也在不斷產生如：纖維束自動鋪放工藝、樹脂傳遞模塑（RTM）和樹脂膜熔浸（RFI）工藝、新的非熱壓罐固化工藝、一體化的整體成型技術等。

這些制造工藝都為節省復合材料的制造成本產生的巨大的作用。

四、碳纖維復合材料在飛機結構中的應用方法

（一）明確碳纖維的性能

飛機結構對于材料有很高的要求，所以，在使用碳纖維復合材料時必須明確碳纖維性能，要對碳纖維復合材料進行精確分析。確保碳纖維復合材料能夠滿足飛機結構對材料的要求，檢測碳纖維性能能否在飛機結構中完全保留，使碳纖維材料能夠在飛機安全問題上發揮作用。

（二）選擇上漿劑

上漿劑材料可以改善碳纖維復合材料的性能，如果將上漿劑涂在碳纖維材料表層不僅能提升材料的耐高溫性能還能改善其耐濕熱性能，所以，選擇合理的上漿劑能使飛機結構的性能更加優越。

（三）優化碳纖維復合材料設計

碳纖維復合材料相對于傳統的金屬材料更加特殊，和普通材料有很大的區別。所以，在使用碳纖維復合材料進行飛機結構制造時不能使用傳統的方法，而需要重新進行設計。要確保碳纖維復合材料的性能能夠得以保留，并且能夠發揮作用。

當前，我國在復合材料使用方面技術還不夠成熟，使用復合材料進行飛機制造時，還存在著很多問題。其中，最大的問題是不能穩定其性能，在飛機結構制造過程中，復合材料的性能由于一些原因而發生改變，所以想要更好地使用復合材料就必須針對碳纖維復合材料進行優化設計。

總結：碳纖維復合材料的性能與一般材料相比有著非常大的優勢，其運用到飛機結構中也能提升飛機性能，但是在對飛機材料進行選擇時必須按照飛機材料選擇的標準進行才能保證飛機的安全性。雖然在當前的飛機制造業中，由于技術水平的限制復合材料所占比重還不夠高，但是隨著技術的不斷進步，復合材料終將會成為制造業選材的主體。

[參考文獻]

[1]宋興龍.碳纖維復合材料在飛機結構上的應用[J].科技尚品，2017，（7）：21.

[2]，荀國立.實現飛機主結構成本效益的一種新型復合材料解決方案[J].航空制造技術，2013，（15）：55-57.

希望文章整體上深度能稍微再深一點，最好能把飛機結構強度和復合材料結合起來，希望提到復合材料的加工工藝對強度的影響等問題。

沈陽航空航天大學 110000