碳纤维复合材料在大飞机上的应用
第32卷第6期高科技纤谁与应用
、,|01.32No.62007年12月
Hi—TbchFiber&Application
Dec.2007
碳纤维复合材料在大飞机上的应用
贺
福,孙
微
(中国科学院山西煤炭化学研究所,太原030001)
摘要:碳纤维复合材料具有质量轻,高比强度,高比模量.耐疲劳、耐腐蚀、耐高温和尺寸稳定性好等一系列优异性能,已广泛用于飞机制造业。尤其是近年来,在大型客机A380和B787上的用量已占到结构总量的50%左右,引起人们的极大关注。这一市场的需求毖将促进碳纤维工业的大发展。关键词:碳纤维;碳纤维复合材料;大飞机;应用中图分类号:V258
文献标识码:A
文章编号:1007—9815(2007)06一0005—04
The
ApplicationofC曲onFiberCompositeMaterialsinGiantPlane
HEFu.
SUNW西
(InstituteofCoalChemistfy.ChineseAcaI托myofSciences,Taiyuan03000l
China)
AbStraCt:CarbonfibercompositematerialshavebeenappliedeXtensivelyinaviationindust叫,due
to
meirexcellent
propeniesoflightweight、highspecjf:ic
strength、high
specificmodulus、resistancetofatigue,corrosion,hightemperatureandstabledimension.Especiallyin
resent
years,itiscausedcloseattentionthat
t11e印plication
of
carbonflbercompositematerialshasreachedabouta
halfofmestmcturesinmegiantairlinerA380aIldB787.Themarketrequirementwillcertainlybringabout
a
great
advanceincarbonfiberindusⅡy.
KeywordS:carbonfiber;
carbon6bercomposites
materials;
giantplane;
appljcation
刖吾
市场需求是碳纤维发展的驱动力。1981年,波
音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维,促进了
碳纤维复合材料(CFRP)有质量轻等一系列高性能碳纤维的研发步伐。1984年,日本东丽公司
优异性能,在飞机制造业中已得到广泛应用。首先率先研制成功T800;1986年,又研发成T1000。是在战斗机上的用量与日俱增。例如,美国战机超随后,日本东邦、三菱人造丝公司和美国Hexcel公
级“大黄蜂”(F/A一18E/F)CFI心用量约为19%,法司相继研制出同类高性能碳纤维,为制造大飞机提
国战机“阵风”用量约为24%,英国战机“台风”
供了新型复合材料。从此,CH冲在大飞机上的用(EP2000)用量约为40%。直升飞机也大量采用量直线上升,同时也促进了碳纤维工业的发展和先CFRP。例如,由哈尔滨飞机制造厂生产的直一9型
进复合材料技术的日趋完善。
直升飞机,武装了驻港部队和参加了2007年上海合作组织在俄罗斯的反恐军演,是我国先进的直升1
高强中模碳纤维和韧性基体树脂
飞机。该机复合材料用量已占到60%左右,主要是cFRP。此外,日本生产的“OH.1忍者”直升飞
通用级T300碳纤维其CFRP可用来制造飞机
机,机身的40%是用CFI冲,桨叶等也用cFl冲制
的二次结构部件。例如,T300/5208用来制造B757、造。
B767和B777的二次结构部件。但因T300的抗拉强
收稿日期:2007一ll-09
作者简介:贺福(1939.),男,山西交城人,研究员,主要从事碳纤维的基础研究及其制造工艺研究,(电话)03514124017
(电子信箱)hefIl@s】【icc.ac.cn.
万
方数据
高科丝纤维与应用第32卷
度仅为3.53GPa,抗拉模量为231GPa,特别是断后延长仅有1.5%,满足不了制造一次结构件的要求。随后开发成功的高强中模型(IntermediateModulus)碳纤维在上述3项质量指标有了大幅度提高,在配套韧性环氧树脂所制高性能cFI心就可
用来制造大飞机的一次结构件。表l列出了高强中模碳纤维的主要品牌及性能。
由表l列出的数据可知,这类高强中模碳纤维
的性能比通用级T300有了大幅度提高。我国目前
还不能生产这类高性能碳纤维,处于实验室研制阶段,有望在“十一五”期间有所突破。
通用型环氧树脂固化后属于脆性材料,需增韧改性为韧性基体树脂。高强中模碳纤维与韧性基
体树脂复合后所制韧性cFI心可用来制造大飞机的一次和二次结构件。其中,具有代表性的是T800H,3900-2(P2302)和IM7/8551—7。图1是制造韧性CFRP的工艺流程示意图,图2是韧性P2302层压
板的截面图。热固性树脂(TS)为母相,热塑性树脂(TP)为分散相,两者均匀混合固化成型。在热固化成型过程中,TS成为三维交联体,TP仍保持
线性特性,赋予cH冲韧性。这样可制得韧性cH冲。T800H/3900—2(P2302)是典型的用来制造大飞机一次和二次结构件的韧性复合材料。所以,除了提高碳纤维性能外,增韧改性基体树脂仍是国内外研
究的热点课题之一。
主善基体t时膳
空部覆▲的碰硅抖
lL_.
图l特殊层问的韧性预浸料
万
方数据2
韧性CFRP在大飞机上应用需关注的技术关键
随着碳纤维性能的不断提高,增韧改性基体树脂的不断深入和复合技术的日趋完善,韧性
cFI冲在大飞机上的应用逐步拓宽。未来500~600座的大飞机将成为航空客运的主力机型。为此,应关注以下几个技术课题和解决对策:
(1)设计允许应变达到0.6%,可用冲击后抗压缩强度(CA,)来评价。这就需用高强度、大伸长碳纤维与韧性基体树脂来复合。例如,T800H/3900一2或IMT/8551—7的韧性预浸料,可达到上述
指标。而T300CFRP的设计允许应变仅为0.3%~0.4%,满足不了设计要求。
(2)提高抗CFRP的抗冲击强度,需采用高强度、大伸长碳纤维。例如,1700S断后延长高达2.
1%(表1)。上浆剂中可含有热塑性塑料微粒,提高其韧性。
(3)提高冲击损伤后的抗压缩强度(c,A,),需采用高强度、大伸长碳纤维与韧性环氧树脂复合。控制碳纤维石墨微晶尺寸,也可提高抗压缩强度。同时,研究韧性耐热的热可塑性树脂,作为新一代
韧性基体树脂。
(4)提高抗层间剪切强度(儿路),改善两相界面粘接强度,有效传递载荷。同时,采用三维编织
物和RTM成型技术,也可有效提高脚和防止层
间剥落现象。
(5)提高cFRP的耐热性,以适应超音速飞行。除提高基体树脂的耐热性外,也应关注碳纤维表面
图2韧性P2
302层压板的截面
第6期
贺福,孙微:碳纤维复合材料在大飞机上的应用
上浆剂的湿热性能。吸湿会降底CFRP性能。
的起飞总质量。显然,这些庞然大物的起飞总质量
(6)采用整体成型的先进复合技术来制造大型构件,如体翼一次成型技术。这不仅提高整体复合件的性能,而且可大幅度减少零件数目和紧固件数目,有利于降低生产成本。
(7)损伤的检测和大面积无损探伤是安全飞行的保证。采用多种灵敏传感器和检测器监控飞机的各项质量指标,做到万无一失和安全飞行。
都在ht级以上。尤其是俄罗斯生产的战略轰炸机图一160,起飞总质量高达285t/架。如果这些大飞机大量采用cFRP,可大大减轻自身质量,可有效增加航程或增加有效载荷。
CFI冲是制造大飞机结构材料的最好选材,而
3碳纤维在大飞机上的应用
所谓大飞机是指200座以上(含200座)、有
效载荷在100t以上的大型飞机。表2列出CFRP在
大飞机上用量逐年递增的情况。显然,cFRP在空客A380和波音787上的用量已占到结构总质量的50%,可称之为复合材料飞机。图3是波音787所用结构材料的质量比,制造波音机通用的铝合金、钛合金分别降低到20%和15%,cFRP成为制造
大飞机的主体材料。
大飞机除了大型民航客机外,还包括战略轰炸机、预警机、运输机等。表3列出了这些大飞机
图3波音787所用结构材料的质量比例
表l
高强中模碳纤维的主要牌号及性能
万方数据
高科丝纤维与应用第32卷
表3各种大飞机的起飞总质量注:①表中数字未经核实,仅供参考;
②B一2为隐身轰炸机;
⑦空客A380为555座,自身质量l50
t,起飞总质量
590
t.
图4
B.1战略轰炸机的C/C刹车装置碳/碳(C,C)复合材料则是制造飞机刹车装置的
优异材料。图4是B一2战略轰炸机的c/C刹车装置,
图4是空客A320的c/C刹车装置。这些先进的C,C刹车装置可有效地把飞机降落过程中的动能转化为热能,不仅刹车制动的安全性高,而且可有效减
轻质量。例如160座的空客A320,采用的C,C刹车装置(图5)可减质量140kg。这种C,C刹车装置已在战机和客机上得到广泛应用。
cFRP还可用来制造隐身飞机。B.2战略轰炸
机属于隐身飞机,其雷达散射截面积(尺CS)仅有
O.1mz(表4),不易被对方雷达发现,大大增加了
突防能力和生存概率。B-2轰炸机大量采用先进的
特种cFRP,所用碳纤维的截面积不是圆形,而是
异型截面,如方形截面,且在表面沉积1层多孑L碳
粒或附着l层多孑L微球,实施对雷达波的散射和吸
万
方数据表4目标外形尺寸及R口
注:RCS为雷达散射截面积.
图5空客320的C/C刹车装置
收,赋予其吸波功能。这种结构吸波和涂层吸波相
叠加,大大增强了综合吸波动功能。这也就是说,特种CFRP不仅是结构材料,而且也是结构吸波材
料。
4展望未来,任重道远
国务院已批准大飞机立项,航空强国在不久将来变为现实。但这一宏伟计划任重道远。首先是我国碳纤维工业与先进国家相比存在15a左右的差距,我们还不能生产高强中模碳纤维,T300仍处于
产业化阶段。实验室研制高强中模碳纤维虽然取得长足进步,但产业化仍有一段路要走。在国家大力
支持和有实力民营企业的介入,缩短产业化时间已
(下转17页)
第6期于晓杰,岳云龙,李永艳,等:铝硼硅酸盐玻璃纤维结构与耐水动力学
prodperties粕d
spec仃o
-17.
CHAKRADHARRP.Elastic
.xB203(M=Mg,ca,srandBa,M=.NaandK)glas∞s【J】.J
non.cryst
scopicstudiesoffastionconductingLi20一znO—B203glasssystem【J】.Materials亿∞archbulletin,2007,42:l
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(上接8页)
具备条件,高强中模碳纤维指日可待。
制造大飞机约有10项关键技术,其中就包括
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一定的工作基础,如曾在20世纪80年代制造的运十和现正在制造的新支线飞机ARJ2l,以及为波音、空客制造零部件,但主体制造大飞机,仍需解
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决许多关键技术问题。与此同步发展的高强中模碳
纤维必须产业化。材料与制造密不可分,同步发展必将使国产大飞机获得成功。
敬请重视和写好论文的中英文摘要
1写好中荚文擅蔓的■l性
‘'’中文文摘是沟通田内读者和作者之间的桥桑。在知识爆炸的今天.读者不可能通过直接测览刊物的方式去获取全面的佰息,只能通过专业的二次文献皴据库,检察到相应文章的文摘.再攫取原文o
‘2’英文文摘是作者和围际同行进行交流的必经之路。在当今的科技额域,英语已经成为摹实上的国际交流语置。世界
各国学者想追踪了解某一学科的发展情况,都会用英文工具书和数据库进行检索。
2如何写好中英文擅l
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1l摘妾应概括正文的要点。一般来说,应包含研究对童(目的).研究方法(所用的设备.材料).结果和结论。
写英文摘要时.不能因为摹些内窖不好翻译就奔掉要点。3'摘要中出现的数据应该是最重要和最关键的数据。
‘2’摘要要尽■简短.尽可能删掉课题研究的背景信息。
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‘●'不需要自己标榜自己的研究结果。
‘5'二次文献佰患将脱离原文而独立存在,因此擒要中不能出现图裹参数据。
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o'摘要中的内窖应a!正文中出现.不能对原文进行补充和修改。
‘7’摘要中的缩写名称在第一次出现时蔓有全称(众所周知的缩写询陈外)。
‘●’摘要的句子应尽■简短.主谓语耍搭配。
万方数据
碳纤维复合材料在大飞机上的应用
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
贺福, 孙微, HE Fu, SUN Wei
中国科学院,山西煤炭化学研究所,太原,030001高科技纤维与应用
HI-TECH FIBER & APPLICATION2007,32(6)18次
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