碳纖維復(fù)合材料在大飛機(jī)上的應(yīng)用

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(guó)戰(zhàn)機(jī)超級(jí)“大黃蜂”(F／A-18E／F)CFRP用量約為19％，法國(guó)戰(zhàn)機(jī)“陣風(fēng)”用量約為24％．英國(guó)戰(zhàn)機(jī)“臺(tái)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(guó)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(chǎng)需求是碳纖維發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。1981年，波音公司提出需求高強(qiáng)度、大伸長(zhǎng)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(guó)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(shí)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(lái)自123
1 高強(qiáng)中模碳纖維和韌性基體樹脂
通用級(jí)T300碳纖維其CFRP可用來(lái)制造飛機(jī)的二次結(jié)構(gòu)部件。例如，T300／5208用來(lái)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(zhǎng)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(lái)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(jí)T300有了大幅度提高。我國(guó)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(lái)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(guò)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(lái)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(guó)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(lái)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(gè)技術(shù)課題和解決對(duì)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(lái)評(píng)價(jià)。這就需用高強(qiáng)度、大伸長(zhǎng)碳纖維與韌性基體樹脂來(lái)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(zhǎng)碳纖維。例如，T700S斷后延長(zhǎng)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(zhǎng)碳纖維與韌性環(huán)氧樹脂復(fù)合。控制碳纖維石墨微晶尺寸，也可提高抗壓縮強(qiáng)度。同時(shí)，研究韌性耐熱的熱塑性樹脂，作為新一代韌性基體樹脂。

（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(shí)，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(huì)降底CFRP性能。

（6）采用整體成型的先進(jìn)復(fù)合技術(shù)來(lái)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(cè)和大面積無(wú)損探傷是安全飛行的保證。采用多種靈敏傳感器和檢測(cè)器監(jiān)控飛機(jī)的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，做到萬(wàn)無(wú)一失和安全飛行。