一、引言
復(fù)合材料是除金屬合金之外最重要的航空航天應(yīng)用材料。復(fù)合材料于20世紀(jì)60年代首次應(yīng)用于軍用飛機，隨后于20世紀(jì)70年代擴展到民用飛機應(yīng)用，與同等鋁設(shè)計（集成設(shè)計和優(yōu)化）相比，通?？梢怨?jié)省 15?20%的重量。因此，在某些情況下，部件的應(yīng)用導(dǎo)致零件成本大幅增加。碳纖維熱固性材料的應(yīng)用不斷增加，從次級結(jié)構(gòu)、控制面開始，后來是機翼和主要機身結(jié)構(gòu)，已經(jīng)證明幾乎所有結(jié)構(gòu)化飛機部件都可以用這些材料制造，并且可以實現(xiàn)預(yù)期效益。這一經(jīng)驗證 明了下一代現(xiàn)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(jìn)的性能，它們比金屬更昂貴。原材料價格很難降低，因此被認(rèn)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(fā)進(jìn)程很快。復(fù)合材料具有較高的比剛度和強度，而且制造工藝能使產(chǎn)品更輕，因此在運輸領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。由于重量減輕，燃料消耗和排放可以減少。研究發(fā)現(xiàn)，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(yīng)用范圍不斷擴大，從次級結(jié)構(gòu)、控制面開始，到后來的機翼和主要機身結(jié)構(gòu)，已經(jīng)證明幾乎所有結(jié)構(gòu)飛機部件都可以用這些材料制成，并且可以實現(xiàn)預(yù)期的效益。這一經(jīng)驗證明了下一代現(xiàn)代飛機增加復(fù)合材料利用率的合理性（圖 1）。可以預(yù)見，碳纖維復(fù)合材料的使用范圍將達(dá)到幾乎所有浸濕面積和約 40% 的結(jié)構(gòu)重量將由碳纖維復(fù)合材料制成。在開發(fā)新型戰(zhàn)斗機時，對性能改進(jìn)的不斷需求要求大幅減輕承載結(jié)構(gòu)的重量。除了設(shè)計技術(shù)的改進(jìn)（例如集成設(shè)計、優(yōu)化）外，碳纖維復(fù)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(zhàn)斗機碳纖維復(fù)合材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)，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。
圖1.歐洲臺風(fēng)戰(zhàn)斗機的材料分解。
二、飛機結(jié)構(gòu)：應(yīng)力準(zhǔn)則碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于許多現(xiàn)代戰(zhàn)斗機，如洛克希德馬丁F?35閃電、歐洲戰(zhàn)斗機、拉斐爾和薩博鷹獅。碳纖維材料是飛機承重結(jié)構(gòu)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(wěn)定器；(4) 機身；以及尾翼。歐洲臺風(fēng)戰(zhàn)斗機約 40% 的結(jié)構(gòu)重量是碳纖維增強復(fù)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(tǒng)尺寸的機會，或提高燃油效率。另一個例子是美國第五代戰(zhàn)斗機F/A-22，它是世界上最先進(jìn)的飛機，在機身、機翼和尾翼的最重要部位使用了復(fù)合材料。事實上，鈦合金占這架軍用飛機總重量的 40%，復(fù)合材料占 34%。這些部位負(fù)責(zé)氣動升力。此外，這些復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)強度和耐用性促進(jìn)了其他飛機部件的開發(fā)。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(yōu)異的性能，有助于減少熱輻射和雷達(dá)反射。圖 2 描繪了用于歐洲戰(zhàn)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。
圖2.碳纖維復(fù)合材料機翼的強度標(biāo)準(zhǔn)。
為保證結(jié)構(gòu)的性能，必須確保箱體設(shè)計的主要標(biāo)準(zhǔn)。碳纖維復(fù)合材料的機械性能，如高抗拉強度和碳纖維復(fù)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(wěn)定性以及較高的載荷引入承載強度。圖 3 顯示了駕駛艙區(qū)域前機身的典型結(jié)構(gòu)，并證明了此處與機翼相同的標(biāo)準(zhǔn)也有效。
圖3.碳纖維機身的典型剖面。
航空工業(yè)對降低油耗和環(huán)境影響的要求很高。必須以經(jīng)濟(jì)高效的方式減輕重量，而這只有通過設(shè)計師和制造工程師之間的大量溝通才能實現(xiàn)。盡管如此，還必須大大減少零件（和緊固件）的數(shù)量。復(fù)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(shù)）取決于化學(xué)特性，主要分為三類：（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(xiàn)空隙和收縮。
第一代碳纖維在用于飛機機身結(jié)構(gòu)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(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有許多優(yōu)勢。在航空航天應(yīng)用中使用復(fù)合材料的主要優(yōu)勢是可以減輕重量。例如，用碳纖維增強復(fù)合材料代替鋁合金，重量可減輕12% 。這種重量節(jié)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(fù)合材料的優(yōu)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(xiàn)的：（2）改善制造公差并在纖維生產(chǎn)過程中提高應(yīng)變。原有環(huán)氧樹脂的缺點是吸濕性相對較高，并且在潮濕環(huán)境下對溫度敏感，導(dǎo)致基質(zhì)過早軟化（降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）。在潮濕條件下（70oC/85%RH），T300/914在較短時間內(nèi)增加更多重量。因此，它不能賦予碳纖維復(fù)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(yīng)。事實上，如果聚合物吸水后低分子量物質(zhì)的損失比水塑化效應(yīng)（降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）更顯著，那么水分老化后的彈性模量可以增加。
盡管碳纖維增強復(fù)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(fā)先進(jìn)技術(shù)來縮短制造時間，同時提高效率和成本效益。復(fù)合材料必須設(shè)計用于要求極高的環(huán)境，并且應(yīng)具有耐腐蝕性。
碳纖維復(fù)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(yè)中，通過選擇最合適的材料,現(xiàn)代戰(zhàn)斗機的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量可減輕2.7%至5.6%。
此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。