先进玻纤复合材料在飞机上的应用

2017-10-13

  随着新材料的研究发展,对于很重视轻量化的航空航天来说,也是不断更新着使用的材料,不仅仅是钛合金、镁合金等的合金材料大量使用,更是有诸如先进复合材料的应用。一代材料的发展,带动着航天航空的技术革新。

先进复合材料(Advanced Composites ACM)专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维、芳纶等增强的复合材料。

  随着复合材料的广泛应用和人们在原材料、复合工艺、界面理论、复合效应等方面实践和理论研究的深入,使人们对复合材料有了更全面的认识。现在人们可以更能动地选择不同的增强材料(颗粒、片状物、纤维及其织物等)与基体进行合理的性能,从而制造出高于原先单一材料的性能或开发出单一材料所不具备的性质和使用性能。

  先进复合材料有着其独特的优异性能。ACM具有质量轻,较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温,独特的耐烧蚀性、透电磁波,吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点。所以,先进复合材料在航空领域的应用日益广泛。

  飞机用ACM经过40多年的发展,已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件,可获得减轻质量20%-30%的显著效果。目前已进入成熟应用期,对提高飞机战术技术水平的贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑,其设计、制造和使用经验已日趋丰富。

  在A380上采用的碳纤维复合材料大型构件主要有中央翼盒、翼肋、机身上蒙皮壁板、机身后段、机身尾段、地板梁、后承压框、垂尾等,大量的主承力结构都采用了复合材料。787复合材料的应用则更让世人瞩目,其机身和机翼部位采用碳纤维增强层合板结构代替铝合金;发动机短舱、水平尾翼和垂直尾翼、舵面、翼尖等部位采用碳纤维增强夹芯板结构,机身与机翼衔接处的整流蒙皮采用玻璃纤维增强复合材料。

  其次,在飞机发动机上,复合材料也是有所应用。美国通用电器飞机发动机事业集团公司(GE-AEBG)和惠普公司,以及其他一些公司,都在用ACM取代金属制造飞机发动机零部件,包括发动机舱系统的许多部位推力反向器、风扇罩、风扇出风道导流片等都用 ACM 制造。如发动机进口气罩的外壳是由美国聚合物公司的碳纤维环氧树脂预混料(E707A)叠铺而成,它具有耐177 ℃高温的热氧化稳定性,壳表面光滑似镜面,有利于形成层流。又如 FW4000 型发动机有80 个149℃ 的高温空气喷口导流片,也是碳纤维环氧预浸料制造的。在316 ℃ 这一极限温度下的环境中,ACM不仅性能优于金属,而且经济效益高。据波音公司估算,喷气客机质量每减轻1 kg,飞机在整个使用期限内即可节省2200美元。

在飞机的一些功能需求上,先进复合材料也是发挥着巨大作用。机用雷达罩是一种罩在雷达天线外的壳形结构,其使用性能要求透微波性能良好,能承受空气动力载荷作用且保持规定的气动外形,便于拆装维护,能在严酷的飞行条件下正常工作,可抵抗恶劣环境引起的侵蚀。ACM具有优良的透雷达波性能、足够的力学性能和简便的成型工艺,使它成为理想的雷达罩材料。目前制作雷达罩材料较多采用的是环氧树脂和E玻璃纤维。

  A380客机对于复合材料的使用也是达到了极致。空中客车继A340对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封框——复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后,A380又一次对连接机翼与机身主体结构中央翼盒新的禁区发起了成功挑战。仅此一项就比最先进的铝合金材料减轻质量1.5t。由于碳纤维复合材料的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损,从而大大减少了油耗和排放,燃油的经济性比其直接竞争机型要低13% 左右,并降低了运营成本,座英里成本比目前效率最高飞机的低15%~20%,成为第一个每乘客每百公里耗油少于3 L的远程客机。

  为了能更好的在飞机上应用,ACM也还有需要不断发展。ACM未来发展方向:1、提高耐热性以发动机为例,一般来说,材料耐高温性能越好,用它做出来的发动机水平就越高。据理论计算和试验发现,发动机的工作温度每提高100℃,它的推力就可提高15%左右。可见提高发动机材料耐高温性能的重要性,而ACM的高温性能主要由树脂基体决定,因此耐高温树脂基体的研究是今后ACM 应用发展的一个重要内容。2、低成本ACM制造技术对航天航空用高性能ACM,过去重视性能,较少考虑成本。包括以下几个主要方面:降低原材料成本,尤其是高性能碳纤维成本,世界呼声很高;开发低温固化、高温使用的树脂和预浸料,节约能源;开发长寿命的预浸料;使用混杂纤维ACM;通过工艺创新如电子束固化工艺等降低制造成本。3、提高抗冲击韧性提高航空用结构 ACM 的抗冲击韧性一直是一个重要的研究课题。ACM的抗冲击性能主要依赖于树脂的交联密度。可通过改变树脂和固化剂结构,增加柔性链段,或利用高韧性、耐高温的橡胶或热塑性树脂增韧,提高抗冲击性能。这样既不牺牲预浸料的工艺性和ACM的耐热性,又赋予材料类似于热塑性树脂的抗冲击性能。

  总之,未来在飞机上,ACM的使用会越来越广泛,进入航天材料的新时代。继钢铁、铝、钛后成为航空航天的宠儿,ACM未来还有很长的路要走,相信以其优异的性能,它必然会大放光彩。