碳纤维复合材料在飞机结构中的应用.docx

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碳纤维复合材料在飞机结构中的应用

碳纤维复合材料在飞机结构中的应用

沈真

（中国飞机强度研究所,西安710065

摘要:

回顾了40年来碳纤维复合材料在飞机结构中的应用发展过程,从成本角度分析了影响其在飞机结构中扩大应用的障碍和现状,指出以碳纤维复合材料在空客A380、A350和波音787飞机中的大范围应用为代表,碳纤维复合材料技术已克服了成本障碍,为今后在更多领域高性能结构的大范围应用提供了可能,进入了大规模工业应用的新纪元。

根据飞机结构使用碳纤维复合材料的经验教训,针对国内碳纤维发展现状,指出为扩大国产碳纤维在飞机及其他高性能结构中的应用,碳纤维生产企业应努力的方向:

首先是保证产品质量的稳定性和可靠性,制订符合国际规范的材料标准和验收方法;其二应注重对碳纤维下游产品,即复合材料及其结构研制与评定,碳纤维是否能用于飞机结构,其主要依据是碳纤维对复合材料结构制造的适用性和相应的性能指标;同时应注意对复合材料结构设计技术的普及和人才培养。

最后根据飞机结构完整性的要求,提出了对第二代碳纤维力学性能指标的某些建议。

关键词:

碳纤维;复合材料;飞机结构;力学性能;低成本;应用

中图分类号:

V258.3;V258文献标识码:

A文章编号:

1007-9815（201004-0001-04

收稿日期:

2010-08-11稿源说明:

’2010第十六届中国国际化纤会议专题报告

ApplicationofCarbonFiberCompositesinAircraftStructures

SHENZhen

（AircraftStrengthResearchInstituteofChina,Xi’an710065China

Abstract:

Thedevelopmenthistoryofcarbon-fiberreinforcedcompositeaircraftstructureswasreviewedduringthepast40years,theobstacleandstatusforcarbon-fibercompositestoextendtheirapplicationtoaircraftstruc-turesfromthepointofviewofcostdriverwereanalyzed.Thelargescaleofapplicationofcarbon-fibercompositesonA380,A350andBoeing787isthesignofthattheyhavecomeintotheneweraofindustrialapplicationoftheaffordablecompositetechnology.ThefirstissueforChinesecarbonfibertobeappliedintoaircraftstructuresandotherhigh-performancestructuresistoensurethestabilityandreliabilityofproductquality,thereforetodevelopthestrictmaterialspecificationsandreceivalcriteria.Thesecondissueistoemphasizetheevaluationofcarbon-fiberreinforcedcompositesandtheirstructuresbasedonthestructuralintegrityrequirements.Thethirdissueistotrainthecompositestructuraldesignerswhoarefamiliartothecharacterizationsandfeaturesofcompositestructures.Finally,somesuggestionsonthemechanicalpropertiesforthesecondgenerationofcarbonfiberswerepointedout.

Keywords:

carbonfiber;composite;aircraftstructures;mechanicalproperty;lowcost;application

Vol.35No.4Aug.2010

高科技纤维与应用

Hi-TechFiber&Application

第35卷第4期2010年8月

1碳纤维复合材料在飞机结构中的应用概况

高性能纤维包括很多种类,其中在飞机结构中应用过或曾经应用过的有下列品种:

玻璃纤维、硼纤维、芳纶和碳（石墨纤维。

由于玻璃

纤维弹性模量低,其复合材料无法满足飞机结构的刚度要求,因此无法用于飞机承力结构;硼纤维复合材料由于其加工性能差,早期曾在军机尾翼结构上得到过一些应用外,目前仅用于结构修理;芳纶复合材料在1980年代中期一度认为有可

能在飞机结构中大量应用,但经使用实践后发现其容易吸湿,给结构带来很多隐患,现在很多飞机公司已将其列为结构禁用的纤维。

由于碳纤维具有高强度、高模量等优异性能,其复合材料因此在飞机结构中得到大量使用,而且目前在新研制的飞机结构中已成为首选的结构材料。

以上评判可从美国联邦航空管理局（FAA的咨询通报AC20-107《复合材料飞机结构》对材料选择应用范围的变化中得到印证:

在1984年颁布的AC20-107A的第一章目的中指出“本咨询通报针对复合材料飞机结构,其中包括纤维增强材料,例如碳（石墨纤维、硼纤维、芳纶（凯芙拉和玻璃纤维增强塑料飞机结构的适航性验证要求,提出了一种能符合联邦航空条例（FAR第23、25、27和29部各条款可接受但非惟一的方法。

”而在2009年修订后的AC20-107B中则改为“本咨询通报针对复合材料飞机结构,其中包括纤维增强材料,例如碳纤维和玻璃纤维增强塑料飞机结构的适航性验证要求,提出了符合联邦法典14卷（14CFR航空规章第23、25、27和29部各规章可接受但非惟一的方法。

”即表明硼纤维和芳纶已不再在飞机结构中得到应用。

飞机结构中应用的碳纤维以T300为代表,包括AS4、HTA等是第一代;以T800为代表,包括IM6、IM7、HTS等是第二代。

它们是应以波音公司为代表的飞机制造厂商的要求而研制的。

T700S原来是为需要高抗拉伸强度的工业和休闲产品,包括压力容器等而研制的,在适当提高其抗拉伸模量和粘附性能后,T700G也用于要求优异复合材料性能的飞机和高端体育器材;T1000的研制并不是以飞机结构为应用对象的。

飞机结

构中如直升机旋翼结构还使用了少量中模高强碳纤维,如M40J。

高性能纤维复合材料在飞机承力结构中的应用始于1960年代末,其在结构中所占比重的变化如图1和图2所示。

可以看出,在军用飞机结构中的应用最初主要追求性能,不计成本,其用量在1980年代中期达到最高峰,之后由于成本的压力,其用量降至20%~30%。

民用飞机碳纤维复合材料使用量从1970年代直至本世纪初一直在10%徘徊,其主要原因是民机必须考虑使用复合材料后经济上是否合算,尾翼级结构使用复合材料通过减重获得的利益大于复合材料制造成本的提高,但用于机翼机身这样的主结构,当时获得的减重收益不足以抵消材料和制造成本的增加。

因此从1980年代起,低成本成了复合材料应用研究的热门课题。

但以空客A380和波音787的研制成功,特别是后者的成功试飞（2009年12月,标志着复合材料在飞机结构的低成本技术（包括材料、制造工艺和设计与维护已达到了可以实际应用的新纪元,复合材料结构占飞机结构质量不低于50%已是不可逆转的潮流。

这也为高性能纤维复合材料进入其他高性能结构,如汽车、高速列车、风电叶片、石油化工设备、船舶结构等提供了技术基础。

2复合材料结构的低成本技术

复合材料飞机结构的低成本技术主要包括以下几方面:

材料、制造工艺、设计、使用维护等。

图3所示为复合材料制件的成本组成,可以看出,在总成本中材料成本只占有很少的比重,制

图1复合材料在军用飞机结构中的应用F-4

F-16

F-14、F-15

F-18A/B

AV-8B

B2

F-18E/FF-22

JSFUCAV

1950

4045年份

占机身的质量分数/%

图2复合材料在民用飞机结构中的应用

MD82

年份

1970

1995B767

A310

B757MD87

A320

MD11

MD90

A340A330

A321B777

A380

B787

A350占机身的质量分数/%

0102030

404550高科技纤维与应用-2-第35卷

件的成本主要部分是铺贴和装配。

2.1材料

最初追求低成本的主要途径之一是降低材料成本和提高材料性能。

降低材料成本的途径是采用大丝束纤维和使用T700S这样的低成本纤维,虽然取得了一些成绩,但效果并不明显。

改进后的T700G得到了一些应用,但由于其性能的局限性,没有得到大范围应用。

T800的研制是为机翼结构的应用提出的,初衷是希望通过采用T800与韧性树脂的复合材料,克服复合材料抗冲击性能差的弱点将压缩设计许用应变值（με由4000提高到6000,得到更好的减重效果,但最终没有实现。

2.2制造技术

RTM、RFI、VARTM等非热压罐固化新工艺最初都被认为是低成本工艺,其中有些已在飞机结构成型工程中得到应用,有的如以VARTM为代表的液体成形工艺已被证明确实可以降低成本,有的则尚未得到证明,或是取决于批量。

以ATL和AFP为代表的自动化铺贴工艺对减少铺贴成本、提高品质和减少废品率起到了决定性作用,也对降低成本起到了重要作用。

2.3整体化设计与制造技术

利用复合材料的特点和优势,实现复杂零件的共固化和共胶接成型,进行整体化结构的设计和制造,大大降低零件数和紧固件数,为减重和降低装配成本起到了重要的作用。

这是复合材料低成本技术的核心。

2.4充分利用复合材料优异的抗疲劳和耐腐蚀性能

复合材料优异的抗疲劳和耐腐蚀特性除了为民机结构的舒适性做出贡献外,在提高出勤率和降低维护成本,从而大大降低全寿命成本方面做出了重大的贡献。

3国产碳纤维用于高性能结构之路

目前国内很多企业对碳纤维研制投入了巨资,有些已形成了批生产的规模,目前最严峻的形势是如何消化这些产能,使之在国民经济发展中产生效益。

当然技术含量较低的结构应用可以消化一部分产能,但作为国产高性能纤维,应在国产飞机结构中得到应用,并在此基础上进一步应用于其他高性能结构。

国产碳纤维用于高性能结构之路,除了材料研制和复合材料制造工艺研究外还应关注下列几方面的工作。

3.1碳纤维的研制与鉴定

传统的观念是碳纤维的抗拉伸强度和抗拉伸模量越高越好,在进行材料比较时经常用的指标是比强度（强度与密度之比和比刚度（模量与密度之比,因此长期以来,碳纤维研究追求的指标是提高抗拉伸强度和抗拉伸模量。

碳纤维只是复合材料中起增强体作用的一种组分,其最终目标是用于复合材料结构,对应用目标为国产飞机结构用碳纤维的研制和鉴定,应以能否满足飞机复合材料结构完整性为评定准则,因此在对碳纤维进行研制和鉴定的同时,必须进行适量的预浸料和复合材料的制造及性能测试。

飞机结构完整性的定义是:

“影响飞机安全使用和成本费用的机体结构件的结构强度、刚度、损伤容限、

装袋与固化（13%

模具（12%

修