热塑性碳纤维复合材料在民机上的应用前景

  减重是复合材料使用的最大优点之一。复合材料的密度只有铝的60%,因此它们的强度重量比比金属高得多,有时甚至高达20%。一般说法,相同结构使用复合材料要比使用金属轻20%。解决了飞机的疲劳问题。金属飞机的疲劳问题,长期困扰着工程技术人员。疲劳是指,金属飞机在多次重复变化的载荷作用后,应力值虽然始终没有超过材料的强度极限,甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏。

  波音787、空客A350的机身和机翼是用热固性碳纤维复合材料制造的。使用复合材料的好处,简述如下:

  由于复合材料强度重量比比金属高,客舱的压力可以提高。金属飞机的座舱压力相当于,海拔2400公尺的压力。复合材料飞机座舱压力相当于,海拔1800公尺的压力。客舱玻璃比金属飞机客舱玻璃大2/3。复合材料不腐蚀,因此座舱内可以加湿。树脂基碳纤维复合材料,对声波有阻尼作用、吸收声波能量,因此降低客舱的躁音。这几方面的共同作用,提高了座舱的舒适度。树脂基碳纤维复合,其中树脂俗称“塑料”。塑料的设计、制造优势在于,零件综合集成。零件综合集成的结果是零件数量减少、连接件减少、连接用的紧固件也减少了。

  机翼使用复合材料制造,除了解决疲劳问题,还给空气动力带来很大的好处。机翼蒙皮是在凹模中用复合材料模塑成形的。蒙皮外形准确、且光滑流线,再加上它与长桁连接不用铆钉。装配好的机翼,比金属机翼阻力小。复合材料比强度高,机翼做的比金属机翼薄。薄机翼阻力小。特别复合材料机翼,可以做到比金属机翼展弦比大。展弦比大,机翼的升力就大。展弦比大就是机翼窄长,像滑翔机、太阳能飞机,为追求大的升力,都有很长的机翼(展弦比特别大)。

  综合上述好处,给飞机的用户航空公司带来更诱人的好处一节省燃油。波音787和空客A350,全机表面几乎都是复合材料。全机喷漆不再用油基漆,而改用水性漆。这样一来,施工简单又环保。复合材料不腐蚀。波音787、空客A350,机体基本是长寿命的。飞机在使用中节省了机体维护费用。复合材料用量达到50%的波音787,全面改变了飞机制造工厂的面貌。

  热塑性复合材料的优点正好弥补了热固性复合材料上述不足之处:

  热塑性树脂作为复合材料中的基材,它不需要固化剂。只需添加1-2%的催化剂。使用中不需要固化,也就省去固化时间和建造、使用昂贵热压罐的投资。用热塑性复合材料制造零件,只要加热、不需固化。它可以像铝合金一样连续冲压和弯曲。热塑性复合材料也可制成预浸带(单向带和无拾纱带),使用自动铺放(ATL和AFP)工艺。热塑性复合材料比热固性材料具有更高的抗冲击性能。有很好的损伤容限。强度可高达4倍。零件连接使用焊接,不用铆钉类的紧固件。这不仅省去钻孔、安装紧固件工时,还减轻重量。零件连接不钻孔,保持了复合材料原有的强度性能。材料没有严格、苛刻的运输、保管、使用期。热塑性复合材料,可高温熔化树脂,分离出碳纤维。便于回收利用。

 

  阅读延伸:《碳纤维复合材料在飞机上的应用