碳復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用（上）
更新時間：2024-10-22 09:36:35
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近年來，復(fù)合材料已成為汽車、航空航天、體育、建筑、醫(yī)療等各個領(lǐng)域最重要的材料。玻璃、碳和凱夫拉纖維等各種復(fù)合材料經(jīng)常被設(shè)計和制造用于飛機部件。1. 簡介
碳纖維復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能特征而被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)。碳復(fù)合材料具有強度高、重量輕、耐腐蝕、剛度高、模量高等特性，在航空航天工業(yè)中非常受歡迎。碳復(fù)合材料提高了金屬合金的性能，使其能夠滿足所有極端條件。在航空航天工業(yè)中，碳復(fù)合材料最重要的特性是抗疲勞斷裂性能；這一特性有助于飛機起飛和降落。通過在飛機設(shè)計中用碳復(fù)合材料取代傳統(tǒng)的金屬合金，飛機的重量得以減輕。重量減輕后，油耗降低，從而降低成本。在航空航天工業(yè)中，波音 787 夢想客機的制造中碳復(fù)合材料的體積占比超過 50%，接近 80%。
2. 復(fù)合材料分類
它們由金屬基體制成，主要包括鋁、鈷、鎂、鐵、銅和鈦，以及分布式陶瓷或增強相。基體材料的選擇取決于應(yīng)用所需的質(zhì)量和服務(wù)環(huán)境。復(fù)合材料中使用的增強材料的數(shù)量可能高達總體積的 50%。SiC 顆粒、硼和Al2O3以及 Borsic 和TiB2 涂層碳可以快速有效地混合。由于鋁和鈦在高溫下具有出色的強度和耐腐蝕性，它們是汽車和航空航天工業(yè)中最常用的兩種金屬基體。
圖 1.全球?qū)饘倩鶑?fù)合材料的需求
從圖1可以看出，金屬基復(fù)合材料的需求在不斷增長。根據(jù)“markets and market”報告，全球金屬基復(fù)合材料市場預(yù)計將從2020年的4.67億美元增至2025年的7.87億美元。金屬基復(fù)合材料在汽車和運輸行業(yè)以及航空航天業(yè)中的應(yīng)用正在推動金屬基復(fù)合材料市場的增長。飛機減重是最重要的因素，強度重量比也是航空航天業(yè)的一個重要因素。這些復(fù)合材料由陶瓷基體增強而成，例如氧化鋁、碳和氮化硅。陶瓷用于航空航天應(yīng)用，因為它們具有多種理想的特性，包括高韌性和高溫穩(wěn)定性以及耐磨性。可以使用短纖維和長纖維來達到特定的質(zhì)量水平。短陶瓷基復(fù)合材料的韌性使其更耐斷裂擴展，但它也容易造成的失效。碳、玻璃、金屬和凱夫拉纖維被放入基質(zhì)中作為增強材料。這些材料通常很硬，具有高強度、剛度、耐高溫和耐磨性。增強材料以顆粒、薄片和晶須的形式出現(xiàn)。它們的主要目的是承載復(fù)合材料的負載。玻璃纖維現(xiàn)在廣泛用于制造汽車零件、船體、運動裝備和建筑裝飾板。最近的研究表明，碳化硅顆粒、氮化硼、氧化鋁和氧化鋅是聚合物基質(zhì)實現(xiàn)某些機械和電氣特性的最佳增強材料。3.航空航天用復(fù)合材料
復(fù)合材料有多種類型，但碳纖維增強材料由于其高抗拉強度、高模量、低成本、低蠕變等特性，在航空航天結(jié)構(gòu)應(yīng)用中廣受歡迎。在航空領(lǐng)域，碳纖維幾乎無處不在。據(jù)報道，波音787夢想客機的重量50%由復(fù)合材料制成，其中碳纖維層壓板或碳纖維夾層占復(fù)合材料的大部分。碳纖維用于機身、水平和垂直機翼、尾翼、門和內(nèi)飾等各個部件。航空領(lǐng)域使用的碳復(fù)合材料的細節(jié)如圖2所示。除了燃油效率外，波音公司還指出，碳和其他復(fù)合材料不需要太多維護，因為它們不會像金屬那樣腐蝕或疲勞。碳纖維飛機的利潤更高，因為它們需要的維護更少，飛行時間更長。
復(fù)合材料的制備方法有兩種：薄膜堆疊法和制造法；根據(jù)其機械、物理和化學特性，復(fù)合材料可分為不同的類別。對于飛機設(shè)計，因為通過使用碳復(fù)合材料，我們可以提高飛機的整體效率，減輕重量等。對波音公司來說，最重要的參數(shù)是通過有效使用碳復(fù)合材料來減輕重量和減少燃料。我們可以將燃油效率提高 10% 至 12%，還可以將重量減輕20%。碳纖維復(fù)合材料可用于飛機的外部和內(nèi)部。例如，在機艙、座椅、貨艙門等。由于涉及到各項指標，這個選擇過程非常困難且復(fù)雜；因此，這個決策過程被稱為多標準決策過程 (MCDM)。被實驗的復(fù)合材料能夠在高溫下保持其性能，尤其是物理性能，合格的材料需要能維持很長一段時間的熱穩(wěn)定性 。
波音 787 夢想客機是一款遠程商用飛機，此機型廣泛使用了碳復(fù)合材料。與舊型號相比，每個座位的油耗降低了約 20%。碳復(fù)合材料用于波音787 夢想飛機的不同部件，包括機翼、翼桿、機身部分、尾翼等。碳纖維的使用提高了飛機的整體效率，同時也使其更輕。由于燃料消耗低，它可以在更短的時間內(nèi)運送更多的乘客。繼波音 787 夢想飛機采用碳纖維復(fù)合材料后，其他航空公司，如 Beech Starship，也開始在其飛機設(shè)計中加入碳復(fù)合材料。這是一架美國公務(wù)機，機翼和機身結(jié)構(gòu)中使用的碳纖維數(shù)量約為90%。與之相比，空客 A320?340 的生產(chǎn)過程中僅使用了超過 15% 的碳復(fù)合材料。
繼波音公司之后，空客也開始在其飛機生產(chǎn)設(shè)計中使用碳纖維復(fù)合材料。空客 A350 XWB是第二大在制造設(shè)計中使用碳復(fù)合材料超過 50% 的飛機。2014 年 12 月，卡塔爾航空接收了第一架空客 A350 XWB 飛機。2015 年 1 月，卡塔爾航空成為第一家運營空客 A350 XWB 的航空公司。空客 A320340 是一款歐洲商用飛機。這架飛機在整個生產(chǎn)過程中使用了 15% 的復(fù)合材料。尾翼是他們使用碳復(fù)合材料制造的結(jié)構(gòu)。
圖3.空中客車A350 XWB的結(jié)構(gòu)設(shè)計空客 A350?XWB（圖 3）的 53% 和波音 787 夢想飛機的 50% 使用了復(fù)合材料。采用碳纖維增強聚合物基質(zhì)的飛機設(shè)計具有低斷裂韌性、低熱沖擊吸收和高拉伸強度等特性。
軍用飛機空客 A400M也在設(shè)計過程中采用了碳復(fù)合材料。空客 A400M在設(shè)計過程中使用碳復(fù)合材料后，將總重量降低到多達 30%。空客 A400M 的多個部件都采用了碳復(fù)合材料，包括作為飛機控制面的尾部。當在航空設(shè)計中使用碳復(fù)合材料時，飛機變得更輕，性能更好。
碳復(fù)合材料也用于空客 A380 的設(shè)計。最初，鋁是此飛機設(shè)計中使用的主要金屬。但由于鋁是一種重金屬，無法與濕度和雨水等外部環(huán)境保持良好的平衡，航空業(yè)轉(zhuǎn)向使用碳復(fù)合材料，從而使飛機更輕。碳復(fù)合材料用于空客的各種部件，包括后部壓力艙壁、中央翼盒、尾錐和襟翼。碳復(fù)合材料因為它們其精確的剛度、高強度重量比、低屈服強度和低剛度，被廣泛地用于這一空中客車飛機家族最大的客機機型。4. 復(fù)合材料制造
復(fù)合材料制造采用不同的制造工藝。壓縮成型、纖維纏繞和樹脂傳遞成型是用于航空航天復(fù)合材料的幾種工藝。在一種復(fù)合材料中添加兩種或多種增強聚合物會形成混合復(fù)合材料。開放式成型和封閉式成型是生產(chǎn)航空用碳纖維復(fù)合材料的兩種方法。在成型和精加工過程中，復(fù)合纖維會立即從樹脂溶液中排出。開放式成型和封閉式成型是生產(chǎn)航空用碳纖維復(fù)合材料的兩種方法。在成型和精加工過程中，復(fù)合纖維會立即從樹脂溶液中排出。
圖4.采用薄膜堆疊法將熱塑性薄膜和增強纖維逐層排列復(fù)合材料由三種不同的材料組合而成。環(huán)氧樹脂、催化劑硬化劑和天然橡膠顆粒混合。然后將液體倒入模具中，隨后用纖維覆蓋并重復(fù)。該方法廣泛采用的是模壓成型。碳纖維增強聚合物主要通過液壓壓機的模壓成型工藝生產(chǎn)。復(fù)合材料的制備從初始層逐層開始，然后將增強纖維織物和聚合物薄膜逐層放置。這種方法稱為薄膜堆疊法，如圖4所示。將混合物壓入模具并固化兩天后，即可得到所需的 CFRP 制造件。制造過程中使用的成分包括環(huán)氧樹脂、天然橡膠、碳纖維和其他元素。評估碳復(fù)合材料的機械性能是制造過程中最有效用的部分之一。各種復(fù)合材料制造工藝如圖 5 所示。
有多個組織已制定了復(fù)合材料標準化檢查程序。ASTM、ISO 和 CEN（歐洲標準化委員會）是最重要的全球復(fù)合材料測試標準。除了全球標準外，還有幾個制造商制定特定的標準，例如波音的 BSS 系列和空客的 AITM 系列，在航空界也被廣泛使用。ASTM D 3039、EN 2561、EN 2597、ISO 5274 和 ISO 5275 是常用的層壓板拉伸測試標準。碳復(fù)合材料制造的大多數(shù)機械測試包括壓縮、拉伸和其他測試（如彎曲強度和剪切強度）。以下是廣泛用于獲得各種性能的測試。靜態(tài)試驗用于測量材料的強度和應(yīng)變能力。使用拉伸載荷完成此試驗。樣品的強度和應(yīng)變能力也通過蠕變試驗確定。在不同的短期極限拉伸強度百分比下進行這兩項試驗的平均百分比范圍為1060%。當樣本受到反復(fù)的靜態(tài)應(yīng)力時，該測試將測量其抗斷裂能力。為了減少熱量產(chǎn)生，復(fù)合材料的測試應(yīng)用頻率應(yīng)保持在 510Hz 左右。必須采用恒定振幅的拉伸拉伸、拉伸壓縮或頻譜加載來模擬給定應(yīng)用中的真實負載條件。制造層壓板時，應(yīng)遵循 ASTM 標準。樣本在萬能試驗機 (UTM) 上進行拉伸測試，從而確定層壓板的彎曲和拉伸模量。上述測試是在各種載荷條件下進行的，包括拉伸和壓縮載荷，以及存在沖擊器時，在拉伸或壓縮載荷階段，在非常規(guī)條件下對選定的樣本進行沖擊。載荷間隔為一百萬秒。這些測試在不同的溫度和吸濕量下進行。試驗機由加載框架、兩個橫梁（一個旋轉(zhuǎn)，另一個固定）以及將它們分開的伺服液壓活塞等部件組成。簡單的靜態(tài)測試使用螺旋驅(qū)動儀器進行。這些設(shè)備價格合理，操作危險性較低。圖 6 顯示了不同樣本的彎曲強度。
圖 6.不同試件的抗彎強度不同
在正常環(huán)境下，環(huán)氧樹脂的靜態(tài)強度優(yōu)于鋁合金。由于纖維具有脆性，因此復(fù)合材料本質(zhì)上是彈性材料。彈性材料具有在受力后恢復(fù)到其先前形狀的特性；因此，它們會重新形成結(jié)構(gòu)特性上的載荷。缺口敏感性與纖維模量成正比；隨著纖維模量的增加，缺口敏感性增加，局部應(yīng)力集中度下降。