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航空航天領(lǐng)域的制勝法寶--復(fù)合材料

2016-11-09 12:34:36 作者：本網(wǎng)整理來源：網(wǎng)絡(luò) 分享至：

自1959年德國斯圖加特大學(xué)研制出第一架全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的滑翔機(jī)"Phonix"以來，復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)材料中扮演著越來越重要的角色。

復(fù)合材料具有較高的比剛度與比強(qiáng)度、出色的耐疲勞性能和抗腐蝕等特點(diǎn)，能滿足民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化、高可靠性、使用壽命長、效能高等性能需求。此外，復(fù)合材料其他功能性的應(yīng)用潛力，如一體化傳感器等，也成為其得以廣泛應(yīng)用的又一優(yōu)勢(shì)。目前，復(fù)合材料已成為繼鋁合金后，航空航天領(lǐng)域又一重要的結(jié)構(gòu)材料。

大體而言，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用可以分為三個(gè)階段：

第一階段是應(yīng)用于受載不大的簡(jiǎn)單零部件，如各類口蓋、舵面、阻力板、起落架艙門等；

第二階段是應(yīng)用于承力較大的尾翼級(jí)主承力結(jié)構(gòu)，如垂直安定面、水平安定面、全動(dòng)平尾、鴨翼等；

第三階段是應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)，如機(jī)翼盒段、機(jī)身等。

20世紀(jì)70年代中期，空客首次將復(fù)合材料應(yīng)用于第三代大型民用飛機(jī)A300飛機(jī)的垂尾。80年代，在A310的活動(dòng)面和垂尾上成功應(yīng)用了復(fù)合材料之后，空客逐漸增加了復(fù)合材料在其他結(jié)構(gòu)部件上的應(yīng)用。在第四代大型民用飛機(jī)A320上，空客將復(fù)合材料應(yīng)用擴(kuò)大到了尾翼，并使A321、A319、A330基本保持了相同的應(yīng)用水平。在隨后的第五代大型民用飛機(jī)A340上，復(fù)合材料的比重提高到8%.

在第六代大型民用飛機(jī)A380的研制中，空客再次進(jìn)行大膽創(chuàng)新，在中央翼盒、機(jī)翼前緣、翼肋、機(jī)翼后緣操縱面、機(jī)身上蒙皮壁板、地板梁、后承壓隔框、機(jī)身尾段、尾翼、整流罩和起落架艙門等處廣泛使用了復(fù)合材料，使復(fù)合材料的比重達(dá)到25%,用量高達(dá)30噸。

在A380之后，為了與波音787競(jìng)爭(zhēng)，空客研制了載客量和航程與波音787處于同一級(jí)別的A350飛機(jī)。在2004年底空客最初宣布的A350方案中，其結(jié)構(gòu)減重目標(biāo)是比A330輕8噸。為此，空客計(jì)劃將A350的復(fù)合材料用量提高到結(jié)構(gòu)重量的約40%.

此后，迫于客戶的壓力和波音787取得的市場(chǎng)成功，空客先后數(shù)次對(duì)A350的結(jié)構(gòu)選材和設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，在2006年12月提出的A350WB方案中，全機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用量上升到53%,其中央翼盒和外翼盒均采用碳纖維復(fù)合材料制造，復(fù)合材料使用面積約達(dá)442m2.

波音公司在第二代至第四代大型民用飛機(jī)737、757和767等機(jī)型中，復(fù)合材料的應(yīng)用僅涉及起落架艙門、整流罩、升降舵、方向舵、襟翼和副翼等次承力結(jié)構(gòu)。到了20世紀(jì)90年代中期，在第五代大型民用飛機(jī)777研制中，波音將復(fù)合材料應(yīng)用擴(kuò)大到了垂直安定面和水平安定面等主結(jié)構(gòu)，使復(fù)合材料的用量達(dá)到了10%.

鑒于復(fù)合材料研究的進(jìn)展和在軍機(jī)上應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，波音在第六代大型民用飛機(jī)787研制中，將復(fù)合材料的應(yīng)用擴(kuò)大到了50%.因此，波音787也被人們戲稱為"塑料飛機(jī)".

復(fù)合材料優(yōu)異的抗裂紋擴(kuò)展性能使波音787的檢修變得更容易，通常只要通過目視檢查沒有發(fā)現(xiàn)損傷，就不必進(jìn)行修理，其日常維護(hù)費(fèi)用比波音777降低32%.

此外，優(yōu)異的抗疲勞特性為波音787客艙的大尺寸舷窗設(shè)計(jì)提供了可能，其窗口面積比空客A330/A340增大了78%,有效提升了旅客的乘坐體驗(yàn)。同時(shí)，由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比鋁合金結(jié)構(gòu)具有更好的耐腐蝕性，有利于提高客艙的壓力和濕度，使旅客感到更加舒適。

俄羅斯是傳統(tǒng)的航空強(qiáng)國，在其重振航空工業(yè)的代表性產(chǎn)品MS-21上，俄羅斯聯(lián)合飛機(jī)公司（UAC）采用自動(dòng)鋪絲工藝進(jìn)行纖維干絲鋪貼預(yù)成型體，然后利用液體成型工藝制造MS-21的外翼。

MS-21是一種單通道商用飛機(jī)，其復(fù)合材料用量達(dá)到31%.UAC公司認(rèn)為，如果MS-21能夠通過使用復(fù)合材料降低飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的重量和制造成本，俄航空企業(yè)將能在競(jìng)爭(zhēng)激烈的單通道商用飛機(jī)市場(chǎng)取得成功。

MS-21采用液體成型工藝在降低機(jī)翼結(jié)構(gòu)制造成本上的作用主要有兩個(gè)方面：

首先，由于MS-21機(jī)翼結(jié)構(gòu)尺寸較大，量產(chǎn)后飛機(jī)在材料以及設(shè)備上的成本降低會(huì)十分可觀。

其次，機(jī)翼結(jié)構(gòu)的整體化設(shè)計(jì)和制造大幅減少了緊固件數(shù)量以及工人勞動(dòng)量。UAC表示，相對(duì)于熱壓罐工藝，液體成型工藝能實(shí)現(xiàn)減重10%,成本降低30%,能源損耗降低50%,工時(shí)減少30%.雖然上述數(shù)據(jù)有待證實(shí)，但液體成型工藝的成本優(yōu)勢(shì)毋庸置疑。

另一家飛機(jī)制造商加拿大龐巴迪公司也在嘗試擴(kuò)大對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用。在其最新研制的C系列飛機(jī)中，復(fù)合材料的用量達(dá)到20%,主要用于中央翼、后機(jī)身、尾錐和平尾等處。

近年來，隨著高性能耐高溫?zé)崴苄詷渲陌l(fā)展以及復(fù)合材料成型加工技術(shù)的不斷成熟，纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料已成為復(fù)合材料領(lǐng)域最為引人注目的研究和開發(fā)熱點(diǎn)。

纖維增強(qiáng)材料由最初的短纖維改進(jìn)為長纖維，最終發(fā)展到連續(xù)纖維增強(qiáng)，克服了傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料的缺陷、在工業(yè)、交通運(yùn)輸、國防等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，且已替代金屬材料，成為飛機(jī)、宇航和高技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的特種材料和新型結(jié)構(gòu)材料。

核心技術(shù)

通過特有工藝技術(shù)使得高強(qiáng)度的連續(xù)纖維與熱塑性樹脂相互間"完全浸漬"制成的，纖維含量大于60%的新型復(fù)合材料，即連續(xù)纖維增強(qiáng)熱屬性復(fù)合材料，簡(jiǎn)稱CFP;與傳統(tǒng)的熱固性樹脂（或環(huán)氧樹脂）復(fù)合材料相比，具有以下特性：

- 比強(qiáng)度、比剛度高

- 良好的抗沖擊性、密封性/不透氣性

- 耐酸堿，環(huán)保、無VOC/甲醛排放，可循環(huán)使用

- 按照使用要求靈活設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開發(fā)周期短

- 適合多種加工制造工藝，包括熱沖壓、熱復(fù)合、真空吸塑、熱焊接、粘接劑連接、切割等加工方法，使得產(chǎn)品制造工藝流程與裝備大為簡(jiǎn)化；

應(yīng)用領(lǐng)域及專業(yè)化發(fā)展方向