碳纖維復(fù)合材料在大型飛機(jī)上的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料在大型飛機(jī)上的應(yīng)用

直升飛機(jī)用cfrp碳碳復(fù)合材料（cfrp）具有許多優(yōu)良的性能，如重量輕，在飛機(jī)制造商中得到了廣泛應(yīng)用。首先是在戰(zhàn)斗機(jī)上的用量與日俱增。例如,美國戰(zhàn)機(jī)超級“大黃蜂”(F/A-18E/F)CFRP用量約為19%,法國戰(zhàn)機(jī)“陣風(fēng)”用量約為24%,英國戰(zhàn)機(jī)“臺風(fēng)”(EP2000)用量約為40%。直升飛機(jī)也大量采用CFRP。例如,由哈爾濱飛機(jī)制造廠生產(chǎn)的直-9型直升飛機(jī),武裝了駐港部隊和參加了2007年上海合作組織在俄羅斯的反恐軍演,是我國先進(jìn)的直升飛機(jī)。該機(jī)復(fù)合材料用量已占到60%左右,主要是CFRP。此外,日本生產(chǎn)的“OH-1忍者”直升飛機(jī),機(jī)身的40%是用CFRP,槳葉等也用CFRP制造。市場需求是碳纖維發(fā)展的驅(qū)動力。1981年,波音公司提出需求高強(qiáng)度、大伸長的碳纖維,促進(jìn)了高性能碳纖維的研發(fā)步伐。1984年,日本東麗公司率先研制成功T800;1986年,又研發(fā)成T1000。隨后,日本東邦、三菱人造絲公司和美國Hexcel公司相繼研制出同類高性能碳纖維,為制造大飛機(jī)提供了新型復(fù)合材料。從此,CFRP在大飛機(jī)上的用量直線上升,同時也促進(jìn)了碳纖維工業(yè)的發(fā)展和先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的日趨完善。1高強(qiáng)中模碳纖維通用級T300碳纖維其CFRP可用來制造飛機(jī)的二次結(jié)構(gòu)部件。例如,T300/5208用來制造B757、B767和B777的二次結(jié)構(gòu)部件。但因T300的抗拉強(qiáng)度僅為3.53GPa,抗拉模量為231GPa,特別是斷后延長僅有1.5%,滿足不了制造一次結(jié)構(gòu)件的要求。隨后開發(fā)成功的高強(qiáng)中模型(IntermediateModulus)碳纖維在上述3項質(zhì)量指標(biāo)有了大幅度提高,在配套韌性環(huán)氧樹脂所制高性能CFRP就可用來制造大飛機(jī)的一次結(jié)構(gòu)件。表1列出了高強(qiáng)中模碳纖維的主要品牌及性能。由表1列出的數(shù)據(jù)可知,這類高強(qiáng)中模碳纖維的性能比通用級T300有了大幅度提高。我國目前還不能生產(chǎn)這類高性能碳纖維,處于實驗室研制階段,有望在“十一五”期間有所突破。通用型環(huán)氧樹脂固化后屬于脆性材料,需增韌改性為韌性基體樹脂。高強(qiáng)中模碳纖維與韌性基體樹脂復(fù)合后所制韌性CFRP可用來制造大飛機(jī)的一次和二次結(jié)構(gòu)件。其中,具有代表性的是T800H/3900-2(P2302)和IM7/8551-7。圖1是制造韌性CFRP的工藝流程示意圖,圖2是韌性P2302層壓板的截面圖。熱固性樹脂(TS)為母相,熱塑性樹脂(TP)為分散相,兩者均勻混合固化成型。在熱固化成型過程中,TS成為三維交聯(lián)體,TP仍保持線性特性,賦予CFRP韌性。這樣可制得韌性CFRP。T800H/3900-2(P2302)是典型的用來制造大飛機(jī)一次和二次結(jié)構(gòu)件的韌性復(fù)合材料。所以,除了提高碳纖維性能外,增韌改性基體樹脂仍是國內(nèi)外研究的熱點課題之一。2預(yù)浸劑與碳纖維復(fù)合隨著碳纖維性能的不斷提高,增韌改性基體樹脂的不斷深入和復(fù)合技術(shù)的日趨完善,韌性CFRP在大飛機(jī)上的應(yīng)用逐步拓寬。未來500~600座的大飛機(jī)將成為航空客運(yùn)的主力機(jī)型。為此,應(yīng)關(guān)注以下幾個技術(shù)課題和解決對策:⑴設(shè)計允許應(yīng)變達(dá)到0.6%,可用沖擊后抗壓縮強(qiáng)度(CAI)來評價。這就需用高強(qiáng)度、大伸長碳纖維與韌性基體樹脂來復(fù)合。例如,T800H/3900-2或IMT/8551-7的韌性預(yù)浸料,可達(dá)到上述指標(biāo)。而T300CFRP的設(shè)計允許應(yīng)變僅為0.3%~0.4%,滿足不了設(shè)計要求。⑵提高抗CFRP的抗沖擊強(qiáng)度,需采用高強(qiáng)度、大伸長碳纖維。例如,T700S斷后延長高達(dá)2.1%(表1)。上漿劑中可含有熱塑性塑料微粒,提高其韌性。⑶提高沖擊損傷后的抗壓縮強(qiáng)度(CAI),需采用高強(qiáng)度、大伸長碳纖維與韌性環(huán)氧樹脂復(fù)合?？刂铺祭w維石墨微晶尺寸,也可提高抗壓縮強(qiáng)度。同時,研究韌性耐熱的熱可塑性樹脂,作為新一代韌性基體樹脂。⑷提高抗層間剪切強(qiáng)度(ILSS),改善兩相界面粘接強(qiáng)度,有效傳遞載荷。同時,采用三維編織物和RTM成型技術(shù),也可有效提高ILSS和防止層間剝落現(xiàn)象。⑸提高CFRP的耐熱性,以適應(yīng)超音速飛行。除提高基體樹脂的耐熱性外,也應(yīng)關(guān)注碳纖維表面上漿劑的濕熱性能。吸濕會降底CFRP性能。⑹采用整體成型的先進(jìn)復(fù)合技術(shù)來制造大型構(gòu)件,如體翼一次成型技術(shù)。這不僅提高整體復(fù)合件的性能,而且可大幅度減少零件數(shù)目和緊固件數(shù)目,有利于降低生產(chǎn)成本。⑺損傷的檢測和大面積無損探傷是安全飛行的保證。采用多種靈敏傳感器和檢測器監(jiān)控飛機(jī)的各項質(zhì)量指標(biāo),做到萬無一失和安全飛行。3先進(jìn)的飛行結(jié)構(gòu)材料所謂大飛機(jī)是指200座以上(含200座)、有效載荷在100t以上的大型飛機(jī)。表2列出CFRP在大飛機(jī)上用量逐年遞增的情況。顯然,CFRP在空客A380和波音787上的用量已占到結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的50%,可稱之為復(fù)合材料飛機(jī)。圖3是波音787所用結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量比,制造波音機(jī)通用的鋁合金、鈦合金分別降低到20%和15%,CFRP成為制造大飛機(jī)的主體材料。大飛機(jī)除了大型民航客機(jī)外,還包括戰(zhàn)略轟炸機(jī)、預(yù)警機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等。表3列出了這些大飛機(jī)的起飛總質(zhì)量。顯然,這些龐然大物的起飛總質(zhì)量都在ht級以上。尤其是俄羅斯生產(chǎn)的戰(zhàn)略轟炸機(jī)圖-160,起飛總質(zhì)量高達(dá)285t/架。如果這些大飛機(jī)大量采用CFRP,可大大減輕自身質(zhì)量,可有效增加航程或增加有效載荷。CFRP是制造大飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的最好選材,而碳/碳(C/C)復(fù)合材料則是制造飛機(jī)剎車裝置的優(yōu)異材料。圖4是B-2戰(zhàn)略轟炸機(jī)的C/C剎車裝置,圖4是空客A320的C/C剎車裝置。這些先進(jìn)的C/C剎車裝置可有效地把飛機(jī)降落過程中的動能轉(zhuǎn)化為熱能,不僅剎車制動的安全性高,而且可有效減輕質(zhì)量。例如160座的空客A320,采用的C/C剎車裝置(圖5)可減質(zhì)量140kg。這種C/C剎車裝置已在戰(zhàn)機(jī)和客機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。CFRP還可用來制造隱身飛機(jī)。B-2戰(zhàn)略轟炸機(jī)屬于隱身飛機(jī),其雷達(dá)散射截面積(RCS)僅有0.1m2(表4),不易被對方雷達(dá)發(fā)現(xiàn),大大增加了突防能力和生存概率。B-2轟炸機(jī)大量采用先進(jìn)的特種CFRP,所用碳纖維的截面積不是圓形,而是異型截面,如方形截面,且在表面沉積1層多孔碳?；蚋街?層多孔微球,實施對雷達(dá)波的散射和吸收,賦予其吸波功能。這種結(jié)構(gòu)吸波和涂層吸波相疊加,大大增強(qiáng)了綜合吸波動功能。這也就是說,特種CFRP不僅是結(jié)構(gòu)材料,而且也是結(jié)構(gòu)吸波材料。4高強(qiáng)中模碳纖維的研發(fā)國務(wù)院已批準(zhǔn)大飛機(jī)立項,航空強(qiáng)國在不久將來變?yōu)楝F(xiàn)實。但這一宏偉計劃任重道遠(yuǎn)。首先是我國碳纖維工業(yè)與先進(jìn)國家相比存在15a左右的差距,我們還不能生產(chǎn)高強(qiáng)中模碳纖維,T300仍處于產(chǎn)業(yè)化階段。實驗室研制高強(qiáng)中模碳纖維雖然取得長足進(jìn)步,但產(chǎn)業(yè)化仍有一段路要走。在國家大力支持和有實力民營企業(yè)的介入,縮短產(chǎn)業(yè)化時間已具備條件,高強(qiáng)中模碳纖維指日可待。制造大飛機(jī)約有10項關(guān)鍵技術(shù),其中就包