碳纖維復(fù)合材料在輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

李群芳

摘要：由于碳纖維復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、比模量高以及尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地運(yùn)用到了飛機(jī)制造業(yè)中。當(dāng)前全世界幾乎有超過(guò)50%的大型客機(jī)已經(jīng)采用了這種新型材料，但是將該材料在輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中運(yùn)用還處于初步階段。本文筆者主要從輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的概述入手；探討了當(dāng)前我國(guó)碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀；最后就碳纖維復(fù)合材料在輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單的探討，希望為相關(guān)領(lǐng)域的研究者和工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：輕型飛機(jī)；碳纖維復(fù)合材料；應(yīng)用分析

當(dāng)前，輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)在國(guó)外的發(fā)展速度較快，但是在我國(guó)依然處于剛剛起步的階段。因此在制造過(guò)程中如何才能降低輕型飛機(jī)的制造成本成為了當(dāng)前制造輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)西方發(fā)達(dá)國(guó)家制造輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，采用碳纖維復(fù)合材料是當(dāng)前降低輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)構(gòu)造成本的有效途徑之一，因此研究碳纖維復(fù)合材料在輕型飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用具有重要意義。

1.輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的概述

輕型飛機(jī)顧名思義就是飛機(jī)的重量輕、體積小。輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)最初在2004年美國(guó)聯(lián)邦航空局按照民航提案的相關(guān)要求新推出的一個(gè)飛機(jī)種類(lèi)。該類(lèi)飛機(jī)滿足以下要求：①最大起飛重量為600kg（陸地起降型）_—650kg（水上起降型）；②最大平分空速不能大于222km/h；③失速速度要低于83km/h；④既可以單座也可以是雙座；⑤裝配有不可收放式起落架；⑥螺旋槳可以采用固定槳距也可以采用地面可調(diào)槳距；⑦配備的驅(qū)動(dòng)裝置一般是發(fā)動(dòng)機(jī)或者活塞發(fā)動(dòng)機(jī)1]。

2.當(dāng)前我國(guó)碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀分析

當(dāng)前工業(yè)上使用的碳纖維主要是以聚丙烯腈、人造絲或者是木質(zhì)作為原料，并將有機(jī)纖維和塑料樹(shù)脂進(jìn)行結(jié)合在高溫的作用下經(jīng)過(guò)碳化最終形成的，但是其制取方法不能直接使用碳和石墨。根據(jù)相關(guān)資料顯示：當(dāng)前全世界的碳纖維產(chǎn)能共計(jì)約為3.5萬(wàn)噸，然而中國(guó)市場(chǎng)每年的需求量約為6500噸，由此可以看出我國(guó)是一個(gè)碳纖維消費(fèi)大國(guó)。但是我國(guó)不管是在碳纖維的制造水平上還是在碳纖維的應(yīng)用技術(shù)上都跟國(guó)外先進(jìn)技術(shù)還存在的很大的差距。在2007年，我國(guó)的碳纖維的產(chǎn)量?jī)H僅在200噸左右，并且絕大部分都被運(yùn)用到了低性能的產(chǎn)品上，究其主要原因是目前我國(guó)企業(yè)依然還沒(méi)有掌握碳纖維相關(guān)的核心技術(shù)，從而導(dǎo)致了我國(guó)的碳纖維在質(zhì)量上、生產(chǎn)技術(shù)上以及生產(chǎn)規(guī)模上都跟西方國(guó)家還有很大差距，很大部分高性能的增強(qiáng)材料都是通過(guò)進(jìn)口的方式來(lái)獲得，并且通常成本都較高。缺乏創(chuàng)新與集成和對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展不足，在很大程度上制約著我國(guó)碳纖維復(fù)合材料工業(yè)的不斷發(fā)展。在充分意識(shí)到當(dāng)前我國(guó)的高性能碳纖維復(fù)合材料還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速、健康和可持續(xù)發(fā)展的需要后，相關(guān)部門(mén)制定各項(xiàng)措施組織實(shí)施高性能纖維復(fù)合材料高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目，主要是重點(diǎn)支持我國(guó)高性能碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展，從而滿足我國(guó)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及航空產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。

3.碳纖維復(fù)合材料在輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

當(dāng)前，碳纖維復(fù)合材料因?yàn)樽陨愍?dú)特、卓越的性能特點(diǎn)被廣泛運(yùn)用在航空領(lǐng)域，特別是在飛機(jī)制造業(yè)中運(yùn)用廣泛。根據(jù)相關(guān)資料顯示：當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料在直升飛機(jī)和小型飛機(jī)中使用已經(jīng)達(dá)到了70%—80%，然而在輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)中的應(yīng)用還不到5%主要在以下兩個(gè)方面：

3.1碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料在輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

由于碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕等突出優(yōu)點(diǎn)，且該材料對(duì)重量、疲勞特性以及剛度方面的要求相對(duì)嚴(yán)格，在溫度高、化學(xué)穩(wěn)定性高的環(huán)境下更適合使用。當(dāng)前碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料已經(jīng)成為武器裝備的主要生產(chǎn)材料。當(dāng)前美國(guó)軍用飛機(jī)的AV—8B改型“鷂”式飛機(jī)很多結(jié)構(gòu)都采用了這種復(fù)合材料，其中飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)前身等部位都使用的是石墨環(huán)氧大型部件，從整個(gè)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)來(lái)看，使用碳纖維材料幾乎達(dá)到了整個(gè)飛機(jī)重量的26%，從而不僅減輕了飛機(jī)的機(jī)重，還提高了飛機(jī)的有效荷載比。據(jù)顯示：如果將飛機(jī)的前身段構(gòu)造采用碳纖維復(fù)合材料跟金屬結(jié)構(gòu)相比質(zhì)量最少減輕30%左右。當(dāng)前隨著對(duì)碳纖維復(fù)合性材料的研究逐漸深入，該材料逐漸被運(yùn)用到微型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，很多國(guó)外輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)和無(wú)人駕駛飛機(jī)已經(jīng)基本上實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化。例如：將輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)大約25%重量的部件采用復(fù)合材料，其中幾乎約22%就是采用碳纖維增強(qiáng)塑料。因?yàn)樵摲N材料具有減輕重量和不容易出現(xiàn)疲勞或者被腐蝕等性能，能夠有效降低輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的油耗和排放。跟直接競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型相比，輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性要低13%左右，有效降低了輕型飛機(jī)構(gòu)造的成本[2]。

3.2碳/碳復(fù)合材料輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

碳/碳復(fù)合材料主要指的是將碳纖維以及碳纖維制品作為增強(qiáng)材料的復(fù)合型材料。由于碳/碳復(fù)合材料的組成元素只有碳元素一種，所以碳/碳復(fù)合材料具有碳和石墨材料共同的優(yōu)點(diǎn)，如：碳/碳復(fù)合材料的密度較低、導(dǎo)熱性能好，也就是碳/碳復(fù)合材料擁有高的熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)，從而能夠有效承受很高的溫度和較大的加熱速率，能夠有效的對(duì)抗熱沖擊，就算在溫度高和超高的環(huán)境中也不能改變碳/碳復(fù)合材料的高強(qiáng)度、模量以及高化學(xué)的性質(zhì)。碳/碳復(fù)合材料憑借自身質(zhì)量輕、難以融化的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地運(yùn)用到了航空航天事業(yè)中。例如：在輕型飛機(jī)軌道的鼻錐和機(jī)翼的前緣部分就采用的是碳/碳復(fù)合材料。除此之外，當(dāng)前還將碳/碳復(fù)合材料這種材料用于輕型飛機(jī)的剎車(chē)片，由這種材料制成的剎車(chē)片不僅質(zhì)量輕、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、抗熱沖擊性好，還具有可設(shè)計(jì)強(qiáng)、操作方便以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，除此之外，碳/碳復(fù)合材料也可以被運(yùn)用到輕型飛機(jī)中一些發(fā)熱元件、緊固件、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片以及內(nèi)燃機(jī)活塞等等。

3.3總結(jié)

綜上所述，我國(guó)在發(fā)展碳纖維復(fù)合材料做出了不懈努力，并且經(jīng)過(guò)多年的不懈努力，所取得的成效和進(jìn)步也是巨大的，雖然當(dāng)前碳纖維復(fù)合型材料應(yīng)用在輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)中還處于初步的階段，在一些制造工藝和制造技術(shù)上還有待進(jìn)一步完善，但是筆者相信，只要我們堅(jiān)持不懈，一定會(huì)開(kāi)拓出碳纖維復(fù)合材料運(yùn)用的新天地。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊乃賓，章怡寧.復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].航空工業(yè)出版社，2002（11）： 67-80.

[2]燕瑛，任成明.行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造與分析技術(shù)的發(fā)展[J].航空制造技術(shù)，2007（12）：64-67.