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碳纖維復(fù)合材料在大飛機(jī)上的應(yīng)用

文章出處:網(wǎng)絡(luò)責(zé)任編輯:管理員人氣:發(fā)表時間:2015-06-25【

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)有質(zhì)量輕等一系列優(yōu)異性能,在飛機(jī)制造業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。首先是在戰(zhàn)斗機(jī)上的用量與日俱增。例如,美國戰(zhàn)機(jī)超級“大黃蜂”(F/A-18E/F)CFRP用量約為19%,法國戰(zhàn)機(jī)“陣風(fēng)”用量約為24%.英國戰(zhàn)機(jī)“臺風(fēng)”(EP2000)用量約為40%。直升飛機(jī)也大量采用 CFRP。例如,由哈爾濱飛機(jī)制造廠生產(chǎn)的直-9型直升飛機(jī),武裝了駐港部隊(duì)和參加了2007年上海合作組織在俄羅斯的反恐軍演,是我國先進(jìn)的直升飛機(jī)。該機(jī)復(fù)合材料用量已占到60%左右,主要是CFRP。此外,日本生產(chǎn)的“OH-1忍者”直升飛機(jī),機(jī)身的40%是用CFRP,槳葉等也用CFRP制造。
市場需求是碳纖維發(fā)展的驅(qū)動力。1981年,波音公司提出需求高強(qiáng)度、大伸長的碳纖維,促進(jìn)了商性能碳纖維的研發(fā)步伐。1984年,日本東麗公司率先研制成功T800;1986年,又研發(fā)成T1000。隨后,日本東邦、三菱人造絲公司和美國Hexcel公司相繼研制出同類高性能碳纖維,為制造大飛機(jī)提供了新型復(fù)合材料。從此,CFRP在大飛機(jī)上的用量直線上升,同時也促進(jìn)了碳纖維工業(yè)的發(fā)展和先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的日趨完善。 本文來自123
1 高強(qiáng)中模碳纖維和韌性基體樹脂
通用級T300碳纖維其CFRP可用來制造飛機(jī)的二次結(jié)構(gòu)部件。例如,T300/5208用來制造B757、 B767和B777的二次結(jié)構(gòu)部件。但因T300的抗拉強(qiáng)度僅為3.53 GPa,抗拉模量為231 GPa,特別是斷后延長僅有1.5%,滿足不了制造一次結(jié)構(gòu)件的要求。隨后開發(fā)成功的高強(qiáng)中模型(Intermediate Modulus)碳纖維在上述3項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)有了大幅度提高,在配套韌性環(huán)氧樹脂所制高性能CFRP就可用來制造大飛機(jī)的一次結(jié)構(gòu)件。表1列出了高強(qiáng)中模碳纖維的主要品牌及性能。

由表1列出的數(shù)據(jù)可知,這類高強(qiáng)中模碳纖維的性能比通用級T300有了大幅度提高。我國目前還不能生產(chǎn)這類高性能碳纖維,處于實(shí)驗(yàn)室研制階段,有望在“十一五”期間有所突破。
通用型環(huán)氧樹脂固化后屬于脆性材料,需增韌改性為韌性基體樹脂。高強(qiáng)中模碳纖維與韌性基體樹脂復(fù)合后所制韌性CFRP可用來制造大飛機(jī)的一次和二次結(jié)構(gòu)件。其中,具有代表性的是T800H/3900-2(P2302)和IM7/8551-7。圖1是制造韌性 CFRP的工藝流程示意圖,圖2是韌性P2302層壓板的截面圖。熱固性樹脂(TS)為母相,熱塑性樹脂(TP)為分散相,兩者均勻混合固化成型。在熱固化成型過程中,TS成為三維交聯(lián)體,TP仍保持線性特性,賦予CFRP韌性。這樣可制得韌性CFRP。 T800H/3900-2(P2302)是典型的用來制造大飛機(jī)一次和二次結(jié)構(gòu)件的韌性復(fù)合材料。所以,除了提高碳纖維性能外,增韌改性基體樹脂仍是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題之一。 123456


2 韌性CFRP在大飛機(jī)上應(yīng)用需關(guān)注的技術(shù)關(guān)鍵
隨著碳纖維性能的不斷提高,增韌改性基體樹脂的不斷深入和復(fù)合技術(shù)的日趨完善,韌性 CFRP在大飛機(jī)上的應(yīng)用逐步拓寬。未來500~600座的大飛機(jī)將成為航空客運(yùn)的主力機(jī)型。為此,應(yīng)關(guān)注以下幾個技術(shù)課題和解決對策:
(1)設(shè)計(jì)允許應(yīng)變達(dá)到0.6%,可用沖擊后抗壓縮強(qiáng)度(CAI)來評價。這就需用高強(qiáng)度、大伸長碳纖維與韌性基體樹脂來復(fù)合。例如,T800H/3900-2或IMT/8551-7的韌性預(yù)浸料,可達(dá)到上述指標(biāo)。而T300 CFRP的設(shè)計(jì)允許應(yīng)變僅為0.3%~0.4%,滿足不了設(shè)計(jì)要求。

2)提高抗CFRP的抗沖擊強(qiáng)度,需采用高強(qiáng)度、大伸長碳纖維。例如,T700S斷后延長高達(dá)2.1%(表1)。上漿劑中可含有熱塑性塑料微粒,提高其韌性。

3)提高沖擊損傷后的抗壓縮強(qiáng)度(CAI),需采用高強(qiáng)度、大伸長碳纖維與韌性環(huán)氧樹脂復(fù)合??刂铺祭w維石墨微晶尺寸,也可提高抗壓縮強(qiáng)度。同時,研究韌性耐熱的熱塑性樹脂,作為新一代韌性基體樹脂。

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(4)提高抗層間剪切強(qiáng)度(ILSS),改善兩相界面粘接強(qiáng)度,有效傳遞載荷。同時,采用三維編織物和RTM成型技術(shù),也可有效提高ILSS和防止層間剝落現(xiàn)象。

(5)提高CFRP的耐熱性,以適應(yīng)超音速飛行。除提高基體樹脂的耐熱性外,也應(yīng)關(guān)注碳纖維表面上漿劑的濕熱性能。吸濕會降底CFRP性能。

(6)采用整體成型的先進(jìn)復(fù)合技術(shù)來制造大型構(gòu)件,如體翼一次成型技術(shù)。這不僅提高整體復(fù)合件的性能,而且可大幅度減少零件數(shù)目和緊固件數(shù)目,有利于降低生產(chǎn)成本。

(7)損傷的檢測和大面積無損探傷是安全飛行的保證。采用多種靈敏傳感器和檢測器監(jiān)控飛機(jī)的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo),做到萬無一失和安全飛行。
 
 

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