碳纤维在航天飞行器中的应用解析

  自复合材料诞生起,其轻质高强的性能就和航空航天飞行器结下了不解之缘,自上世纪40年代开始,复合材料就被用于军Y飞机的修补。随着材料结构性能的不断提高和改善,复合材料作为结构材料首先在军Y飞机上得到了大量的使用。在积累了大量的经验和数据以后,自上世纪80年代起,复合材料也开始在各种飞行器上得到逐步应用,本文来介绍几种碳纤维在航空航天的应用。

  1.复合材料在发动机和短舱上的应用

  复合材料在商用飞机上的另-个主要应用领域是在发动机和短舱,而发动机叶片,例如,GE90的发动机叶片,则是这种应用的典范。GE90叶片使用的是8551-7/IM7 预浸料,通过热压罐工艺成型获得,这种环氧中模量碳纤维预浸料具有极高的韧性和损伤容限,可以满足叶片苛刻的性能要求。

  复合材料除了提供结构贡献以外,在发动机和短舱上的另一个贡献是降噪。在B787的发动机和短舱上使用了一种降噪蜂窝,用其作为芯材、环氧预浸料作为蒙皮的夹层结构起到了良好的降噪效果,使B787被誉为最安静的飞机,这也是B787的亮点之一。

  2.复合材料在直升机上的应用

  国外复合材料在直升机上的应用已经有了相当长的历史,并被誉为直升机的两次技术飞跃之一,对此,欧洲-直走在世界的前列。中国在直升机上使用复合材料的历史应该从哈飞的海豚项目开始,至今已有30年的历史。相对于商用飞机而言,复合材料在直升机上的应用更广泛,除机身、尾棵等结构件以外,还包括桨叶、传动轴、高温整流罩等对疲劳、湿热性能有更高要求的部件。特别是复合材料桨叶的使用,把桨叶的使用寿命从金属的2000小时提高到了复合材料的6000小时以上,甚至是无限寿命,并且两者的制造成本几乎相当,因此使用复合材料取代金属材料也成为必然。

  3.复合材料在通用飞机上的应用

  与大型商用飞机相比,通用小飞机的结构则简单的多,有些小飞机的机身甚至可以使用玻璃纤维预浸料为蒙皮的蜂窝夹层结构,而外翼的翼棵则可以使用单向碳纤维复合材料制造。生产工艺上,从节约成本考虑,较为普遍采用的是非热压罐工艺。由于小飞机机身的曲率半径比较小,在制造蜂窝夹层结构时,往往采用工程蜂窝形式来制造夹层结构件,即将蜂窝采用切削、热定型等加工手段,针对不同的受力情况使用不同的蜂窝,加工成一个整体的芯材结构,然后一次成型成夹层结构部件的工艺。

  另外,由于生产通用飞机的企业非常多,各企业不可能像波音空客那样投人大量的人力、物力和财力来制定各自的材料规范,各原材料生产商也不希望看到每个客户都使用自己的规范来采购。所以,为了统-材料标准和规范,在美国NASA的牵头下成立了AGATE这样一个组织,旨在为广大的中小通用飞机复合材料部件制造者提供-一个共享 的数据库。这个数据库是免费的,用户可以使用数据库中的数据来进行产品设计、质量管理、适航认证等。

  目前,赫氏推荐用于通用飞机的环氧预浸料主要为M10R系列,产品包括标准模量的单向碳纤维预浸料、平纹和缎纹的碳纤维织物预浸料以及玻璃纤维预浸料等。