碳纤维复合材料在轻型运动飞机结构中的应用

  当前,碳纤维复合材料因为自身独特、卓越的性能特点被广泛运用在航空领域,特别是在飞机制造业中运用广泛。根据相关资料显示:当前碳纤维复合材料在直升飞机和小型飞机中使用已经达到了70%-80%, 然而在轻型运动飞机中的应用还不到5%主要在以下两个方面。

  1.碳纤维树脂基材料

  由于碳纤维增强树脂基复合材料具有质量轻等突出优点,且该材料对重量、疲劳特性以及刚度方面的要求相对严格,在温度高、化学稳定性高的环境下更适合使用。当前碳纤维增强树脂基复合材料已经成为武器装备的主要生产材料。

  当前美国军Y飞机的AV-8B改型“鹞”式飞机很多结构都采用了这种复合材料,其中飞机的机翼、机前身等部位都使用的是石墨环氧大型部件,从整个飞机的结构来看,使用碳纤维材料几乎达到了整个飞机重量的26%,从而不仅减轻了飞机的机重,还提高了飞机的有效荷载比。据显示:如果将飞机的前身段构造采用碳纤维复合材料跟金属结构相比质量最少减轻30%左右。

  当前随着对碳纤维复合性材料的研究逐渐深入,该材料逐渐被运用到微型飞机的结构设计中,很多国外轻型运动飞机和无人驾驶飞机已经基本上实现了结构的复合材料化。将轻型运动飞机大约25%重量的部件采用复合材料,其中几乎约22%就是采用碳纤维增强塑料。因为该种材料具有减轻重量和不容易出现疲劳或者被腐蚀等性能,能够有效降低轻型运动飞机的油耗和排放。跟直接竞争机型相比,轻型运动飞机的燃油经济性要低13%左右,有效降低了轻型飞机构造的成本。

  2.碳/碳复合材料

  碳/碳复合材料主要指的是将碳纤维以及碳纤维制品作为增强材料的复合型材料。由于碳/碳复合材料的组成元素只有碳元素一种,所以碳/碳复合材料具有碳和石墨材料共同的优点,如:碳/碳复合材料的密度较低、导热性能好,也就是碳/碳复合材料拥有高的热导率和低热膨胀系数,从而能够有效承受很高的温度和较大的加热速率,能够有效的对抗热冲击,就算在温度高和超高的环境中也不能改变碳/碳复合材料的高强度、模量以及高化学的性质。

  碳/碳复合材料凭借自身质量轻、难以融化的优点,被广泛地运用到了航空航天事业中。例如:在轻型飞机轨道的鼻锥和机翼的前缘部分就采用的是碳/碳复合材料。除此之外,当前还将碳/碳复合材料这种材料用于轻型飞机的刹车片,由这种材料制成的刹车片不仅质量轻、摩擦系数稳定、抗热冲击性好,还具有可设计强、操作方便以及使用寿命长等优点,除此之外,碳/碳复合材料也可以被运用到轻型飞机中一些发热元件、紧固件、涡轮发动机的叶片以及内燃机活塞等等。