碳纤维复合材料助力飞机结构更轻更强

  业界对复合材料有一个定义,就是由2种或2种以上的材料,经过一定的复合工艺而形成的一种新型材料。 复合材料的特点在于,它那2到3种组份材料的结合是一种物理结合,而不是化学结合,是保留了各自的物理特性的。但在整体上,它又是一种新的材料,会有新的特质。

  复合材料种类很多,可以按纤维品种分类,也可以基体的品种分类,还可以按纤维的存在形式分类等。我们在飞机上用得最多的就是碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP) 。

  与传统金属相比,碳纤维复合材料最大的优势在于它重量轻、强度高、刚度高。碳纤维复合材料的密度仅相当于钢的1/4、铝合金的60%,所以,在飞机上使用碳纤维复合材料,很大的一个动机是减重。从性能上看,复合材料有三大优点: 一是抗疲劳性能好,二是耐腐蚀性能好,三是可设计性强。我们可以按任意的铺层比例和铺层方法去设计我们要的材料。比如说有些航天器上用的复合材料,需要体积随温度变化越小越好,这就可以通过比例和材料的组合,实现零热胀率。碳纤维复合材料还有非常重要的一个优点,就是可以实现整体成形,从而降低制造成本。

  从乘客的角度来说,碳纤维复合材料给我们带来的好处主要是舒适性。波音787采用碳纤维复合材料做的机体,可以提高舱压,从而给乘客带来更高的舒适性。

  一般情况下,常规的金属飞机舱压保持在海拔2400米左右的高度,相当于在高原上的感觉,乘客肯定感觉不舒服。由于机身主要承受拉力,而碳纤维复合材料抗拉性能好,因而可以增加舱压,降到海拔1800米左右的压力。能够极大地提升乘客的舒适度。

  此外,金属对腐蚀敏感,如果机舱里边湿气大的话,客舱壁上会形成一些水珠,从而造成金属腐蚀。复合材料耐腐蚀性强,可以把湿度提高,乘客的感受当然也更好些。

  在设计理念上,到目前为止,飞机结构设计仍然沿用金属的设计理念,碳纤维复合材料还有很多潜力没有发挥出来。这有待于我们真正充分考虑复材的特点,真正放开思维,不受目前设计概念的限制,开发出一些真正发挥复合材料优势的设计理念来。

  在制造技术的发展上,我们希望,首先是更多地采用整体成型技术。飞机零件越少,质量管理就越容易,不容易出错,生产效率也越高。其次是更多地采用低成本工艺,包括液体成型工艺、非热压罐工艺等。制造工艺的成本越低,自然飞机的成本也就越低。最后是更多地应用新材料、新工艺和新技术,如结构功能材料、绿色环保材料。这些都是复合材料应用面临的课题。