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專題報告

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碳纖維的選擇標準戰斗機復合材料

一、引言

復合材料是除金屬合金之外最重要的航空航天應用材料。復合材料于20世紀60年代首次應用于軍用飛機,隨后于20世紀70年代擴展到民用飛機應用,與同等鋁設計(集成設計和優化)相比,通常可以節省 15?20%的重量。因此,在某些情況下,部件的應用導致零件成本大幅增加。碳纖維熱固性材料的應用不斷增加,從次級結構、控制面開始,后來是機翼和主要機身結構,已經證明幾乎所有結構化飛機部件都可以用這些材料制造,并且可以實現預期效益。這一經驗證  明了下一代現代飛機使用量增加的合理性。為了降低飛機成本和重量,使用了熱塑性材料,由于其先進的性能,它們比金屬更昂貴。原材料價格很難降低,因此被認為更容易降低制造工藝的成本。目前,剛度和強度更高的新型碳纖維的開發進程很快。
復合材料具有較高的比剛度和強度,而且制造工藝能使產品更輕,因此在運輸領域受到廣泛關注。由于重量減輕,燃料消耗和排放可以減少。研究發現,客機每增加一公斤重量,每年就需要消耗130升燃油。一般來說,花錢增加航程或有效載荷比花錢買燃油要好。
碳纖維熱固性材料的應用范圍不斷擴大,從次級結構、控制面開始,到后來的機翼和主要機身結構,已經證明幾乎所有結構飛機部件都可以用這些材料制成,并且可以實現預期的效益。這一經驗證明了下一代現代飛機增加復合材料利用率的合理性(圖 1)。
可以預見,碳纖維復合材料的使用范圍將達到幾乎所有浸濕面積和約 40% 的結構重量將由碳纖維復合材料制成。在開發新型戰斗機時,對性能改進的不斷需求要求大幅減輕承載結構的重量。除了設計技術的改進(例如集成設計、優化)外,碳纖維復合材料與更高效的施工方法一起提供了顯著的減重潛力。本研究描述了戰斗機碳纖維復合材料的選擇標準,以便在充分了解要求的情況下選擇最合適的重量、強度和成本。

碳纖維的選擇標準戰斗機復合材料

圖1.歐洲臺風戰斗機的材料分解。

二、飛機結構:應力準則
碳纖維復合材料廣泛應用于許多現代戰斗機,如洛克希德馬丁F?35閃電、歐洲戰斗機、拉斐爾和薩博鷹獅。碳纖維材料是飛機承重結構中使用最廣泛的部件之一,例如:(1)機翼蒙皮;(2) 襟副翼;(3) 垂直穩定器;(4) 機身;以及尾翼。
歐洲臺風戰斗機約 40% 的結構重量是碳纖維增強復合材料(圖1)。減輕重量可以提高有效載荷航程能力,提供在性能水平不變的情況下縮小子系統尺寸的機會,或提高燃油效率。另一個例子是美國第五代戰斗機F/A-22,它是世界上最先進的飛機,在機身、機翼和尾翼的最重要部位使用了復合材料。事實上,鈦合金占這架軍用飛機總重量的 40%,復合材料占 34%。這些部位負責氣動升力。此外,這些復合材料的結構強度和耐用性促進了其他飛機部件的開發。如今的隱形飛機由碳纖維增強聚合物制成,因為碳纖維具有優異的性能,有助于減少熱輻射和雷達反射。
圖 2 描繪了用于歐洲戰斗機的CFC機翼,它通過彎曲和剪切配件連接到機身。抗扭盒由承載蒙皮和粘合在下部蒙皮上的承載剪切的翼梁和肋組成。

碳纖維的選擇標準戰斗機復合材料

圖2.碳纖維復合材料機翼的強度標準。

為保證結構的性能,必須確保箱體設計的主要標準。碳纖維復合材料的機械性能,如高抗拉強度和碳纖維復合材料的壓縮彈性模量、高缺口拉伸強度和缺口壓縮強度,提供了較高的襟副翼效率、足夠的蒙皮和翼梁 腹板屈曲穩定性以及較高的載荷引入承載強度。圖 3 顯示了駕駛艙區域前機身的典型結構,并證明了此處與機翼相同的標準也有效。

碳纖維的選擇標準戰斗機復合材料

圖3.碳纖維機身的典型剖面。

航空工業對降低油耗和環境影響的要求很高。必須以經濟高效的方式減輕重量,而這只有通過設計師和制造工程師之間的大量溝通才能實現。盡管如此,還必須大大減少零件(和緊固件)的數量。復合材料部件的特性不僅取決于組成材料,還取決于將它們合并成最終組裝部件所用的工藝。這些工藝(制造技術)取決于化學特性,主要分為三類:
(1)半成品制造;
(2)開放式成型(鋪層、噴射、纖維纏繞、拉擠、自動纖維鋪放、固化);
(3)閉式成型(注塑、樹脂傳遞模塑、真空輔助樹脂灌注、壓縮成型)。

在制造過程中,必須避免出現空隙和收縮。

三、碳纖維復合材料的強度要求
第一代碳纖維在用于飛機機身結構時,具有高比彈性模量和高比強度的特點,而斷裂時的伸長率相對較低(約為1%)。與鋁和鈦等傳統金屬材料相比,碳纖維復合材料具有許多優勢。在航空航天應用中使用復合材料的主要優勢是可以減輕重量。
例如,用碳纖維增強復合材料代替鋁合金,重量可減輕12% 。這種重量節省可用于減少燃料消耗或增加有效載荷、機動性和速度。其他好處包括復合材料的優異的抗疲勞和耐腐蝕性能以及其減振性能。同時,碳纖維強度的提高是通過以下方式實現的:
(1)提高未碳化纖維的純度并減少弱點;
(2)改善制造公差并在纖維生產過程中提高應變。

原有環氧樹脂的缺點是吸濕性相對較高,并且在潮濕環境下對溫度敏感,導致基質過早軟化(降低玻璃化轉變溫度)。在潮濕條件下(70oC/85%RH),T300/914在較短時間內增加更多重量。因此,它不能賦予碳纖維復合材料高抗壓強度。然而,在某些聚合物中,可以觀察到積極的水分效應。事實上,如果聚合物吸水后低分子量物質的損失比水塑化效應(降低玻璃化轉變溫度)更顯著,那么水分老化后的彈性模量可以增加。

四、總結與結論

盡管碳纖維增強復合材料與金屬相比更具競爭力且更具成本效益,但必須開發先進技術來縮短制造時間,同時提高效率和成本效益。復合材料必須設計用于要求極高的環境,并且應具有耐腐蝕性。

碳纖維復合材料重量極輕,強度重量比高,但機械性能取決于多種因素,如堆疊順序和層厚度。在航空工業中,通過選擇最合適的材料,現代戰斗機的碳纖維復合材料結構重量可減輕2.7%至5.6%。


此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯,部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的,僅供行業人士交流,引用請注明出處。


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