先進復(fù)材技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

710089 中航飛機研發(fā)中心 陜西 西安|王桂華

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先進復(fù)材技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

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樹脂基先進復(fù)合材料是二十世紀六十年代中期崛起的一種新型材料，一經(jīng)問世就顯示了它強大的生命力。目前，先進復(fù)合材料在航空航天器結(jié)構(gòu)上已獲得了廣泛應(yīng)用，成為航空航天領(lǐng)域四大結(jié)構(gòu)材料之一。推動了國民經(jīng)濟諸多領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。展望未來，先進復(fù)合材料的發(fā)展將會日新月異，蒸蒸日上。復(fù)材技術(shù)；航空；應(yīng)用

先進復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，在4-8座輕型飛機中，占全機結(jié)構(gòu)的90%以上，主要應(yīng)用于機身、機翼、尾翼、內(nèi)裝飾、地板；在直升機中，占全機結(jié)構(gòu)的70%左右，主要應(yīng)用于機身、機翼、內(nèi)裝飾；在隱身飛機中，占全機結(jié)構(gòu)的50%左右，主要應(yīng)用于機身、機翼、尾翼、內(nèi)裝飾；在民用飛機中，占全機結(jié)構(gòu)的7～30%，主要應(yīng)用于尾翼、平尾活動艙面、整流罩、內(nèi)裝飾、地板。

先進復(fù)合材料為什么能獲得廣泛的應(yīng)用

a具有優(yōu)異的比強度、比模量性能

b基于復(fù)合材料各向異性和可設(shè)計性的特點，可按結(jié)構(gòu)載荷分布狀況，實現(xiàn)復(fù)材結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計，實施整體性設(shè)計，減少零件和緊固件數(shù)量，有效地減輕結(jié)構(gòu)重量，提高成本效益。

c具有良好的抗疲勞性能、減震性能、耐燒蝕性能和吸波、消音性能。

d工藝性好

隨著復(fù)合材料品種的系列化發(fā)展，預(yù)浸設(shè)備、自動鋪帶機、數(shù)控加工（制孔、銑切等）設(shè)備的出現(xiàn)。復(fù)合材料制造工藝正朝著自動化、數(shù)字化方向發(fā)展、CAD / CAM一體化設(shè)計制造技術(shù)、熱壓罐固化工藝、RTM及纖維纏繞等技術(shù)已日趨成熟，為復(fù)合材料構(gòu)件成型奠定了可靠的基礎(chǔ)。復(fù)合材料工藝最大特點是容易成型任意型面的零件，可成型出共固化或整體式結(jié)構(gòu)，工序少、時間短、產(chǎn)品更新快。

先進復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展趨勢

a碳纖維品種增多，規(guī)模增大，價格趨降。特別是高強、高模，大絲束碳纖維研制加快，為先進復(fù)合材料應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

PAN（聚丙烯晴）基碳纖維是當今發(fā)展規(guī)模最大產(chǎn)銷量最多的一類碳纖維，目前T300的抗拉強度已提高到3.56Gpa，成為世界公認的通用級碳纖維。T1000抗拉強度提高到7.02Gpa。目前實驗室數(shù)據(jù)已達到8.05Gpa，使碳纖維的高強度工作邁出重大步伐。

石墨晶體的理論強度為180Gpa，目前碳纖維產(chǎn)品的強度與理論強度相差甚遠，僅達4.76%，潛力極大。

b從HEXEL、ACG公司開發(fā)的預(yù)浸料的產(chǎn)品，為我們工程應(yīng)用的選擇以及預(yù)浸料研究得到了許多啟示。

HEXEL是世界馳名的復(fù)材公司，他不僅研制生產(chǎn)AS、IM、UHM三個系列碳纖維及織物，而且開發(fā)研制了品種多，配套的預(yù)浸料，包括碳纖維預(yù)浸料、芳綸預(yù)浸料和玻璃纖維預(yù)浸料，這些預(yù)浸料產(chǎn)品涵蓋了極廣的使用溫度范圍，實現(xiàn)了多個領(lǐng)域的應(yīng)用。其中雙馬預(yù)浸料是先進軍機使用的結(jié)構(gòu)材料，最高使用溫度達275℃。913、914、916、6376等環(huán)氧基料已在宇航、飛機得到應(yīng)用。使用溫度可達75～180℃，酚醛基料使用溫度可達80～200℃。

ACG是英國先進復(fù)合材料集團的縮寫，該公司研制的低溫固化、高溫使用預(yù)浸料，首先被用于復(fù)合材料工裝上，提高了工裝的型面精度，積累了復(fù)材工裝材料的選擇經(jīng)驗。從HEXEL、ACG公司預(yù)浸料的發(fā)展狀況看出，使用溫度275℃以下的預(yù)浸料，室溫或較低溫度固化，高溫使用的預(yù)浸料已實現(xiàn)多樣化、系列化、專門化的需求，規(guī)模生產(chǎn)、降低成本，將是工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用的重要問題。

c隨著復(fù)合材料品種增多，新設(shè)備的出現(xiàn)，復(fù)材制造技術(shù)也向著多樣化、精細化、自動化方向發(fā)展。

雖然熱壓罐成型仍是復(fù)材構(gòu)件制造的主要方法，但是纖維纏繞和拉撥、烘箱/熱壓機成型、以及壓注成型工藝已有了長足的發(fā)展。特別是一批先進制造技術(shù)的出現(xiàn)有力地改善了復(fù)材制品的性能，提高了制造精度與效率，避免了人為偏差，增強了復(fù)材構(gòu)件的可靠性和重現(xiàn)性。

結(jié)語

通過對復(fù)合材料力學(xué)性能、工藝性能的闡述對比，先進復(fù)合材料具有著不可比擬的優(yōu)越性。目前，復(fù)合材料在國外A350和波音787飛機上所占的比例高達50%以上，而國內(nèi)的飛機上所占的比例比較低，故而先進復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用前景十分廣闊。不僅僅應(yīng)用其制作功能性產(chǎn)品，減輕結(jié)構(gòu)重量，提高產(chǎn)品性能，而且會越來越多地用其制作次受力、主受力的構(gòu)件，成為宇航主結(jié)構(gòu)材料之一。

參考：

［1］益小蘇.先進復(fù)合材料發(fā)展動態(tài)研討會會議簡訊，材料工程，2002 年07期

［2］陳紹杰.先進復(fù)合材料的近期發(fā)展趨勢，材料工程，2004年09期

［3］蘇興.先進復(fù)合材料更應(yīng)是結(jié)構(gòu)，中國建材報，2009年