碳纤维在航空工业中的应用案例分析

  现阶段航空工业使用的复合材料主要是纤维增强树脂基复合材料,包括热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。近年来,以碳纤维增强的热塑性树脂基复合材料因其高韧性、低吸湿性和耐疲劳性有取代热固性树脂基复合材料在航空航天领域应用的趋势。而纤维增强陶瓷基复合材料由于具有比单相陶瓷高得多的断裂韧性,有效克服了对裂纹和热震的敏感性,同时它还具有高比度、高比模量和耐磨损以及热稳定性好等优点,已在重复使用的热防护领域显示出巨大的优势,因此在航空航天领域将有着巨大的应用市场。

  1.飞机刹车装置

  用碳碳(C/C)复合材料可以制成飞机刹车盘,由于材料本身的密度小,使用C/C刹车盘后可以使每架飞机重量大大减轻而且还具有耐高温的优异性能。欧美公司生产的民航飞机的刹车系统已逐渐用C/C盘取代钢盘,如空中客车公司的所有飞机都采用了C/C刹车装置,波音公司的747-400以及777也是C/C盘。军Y飞机则基本上都采用了C/C刹车装置。

  2.机翼

  空中客车公司复合材料技术分部的DanielClaretVios指出:在A380上,碳纤维增强复合材料已用作主要结构,如水平尾翼、垂直尾翼及方向舵、机身段。复合材料在水平尾翼上做安定面,其尺寸比A320机翼还大。英国的Westland-30直升机系列的尾翼在W30-160型上采用环氧树脂热固性材料。20世纪70年代后期,碳纤维增强复合材料作为主承力结构材料在F-18的主翼、机身等部位使用,用量达结构材料总重量的10%;垂直起降的AV-8B战斗机主翼等部件的碳纤维增强复合材料用量达到总重量的20%。F-15战斗机的垂直尾翼、方向舵和全动平尾的蒙皮均用硼纤维环氧树脂增强复合材料制成。

  3.机身

  美国宇航局开发的旋翼垂直起飞的V-22飞机,应用碳纤维增强复合材料制作主翼、机体、尾部、发动机舱和旋翼等,用量占结构材料60%左右,最大航速高达590km/h,明显降低燃油的消耗,这与轻量化是密切相关的。波音公司将复合材料作为提升其新飞机787竞争力的筹码,采用了结构重量50%的复合材料。

  4.桨叶

  在Dowty-Rotol与M cCarthy十分完整的研究报告中已指出,用新的模压技术已经很容易把复合材料桨叶制造出来,而创造出气动效率比适宜于金属的更好的新形状。复合材料结构的优点之一是疲劳寿命有很大改善。众所周知,轻合金桨叶所遭到的表面损伤会更进一步降低它们的极限疲劳寿命,而复合材料桨叶在使用中就坚韧得多了。直升机的桨叶一般分为抗腐蚀的前缘、承载的主梁和带弯度的后缘三部分。为了维持力和力矩的平衡,每个桨叶还应能改变桨距(角度)和速度,这种周期性的桨距和速度变化导致桨叶上载荷复杂分布,从而对疲劳强度提出了更高的要求。

  碳纤维增强复合材料直升机桨叶比等价金属桨叶寿命更长。金属做的直升机桨叶很少能经受得住1500飞行小时的,而用纤维增强复合材料桨叶,3000飞行小时或更长的寿命正成为平常的事。

  尽管一些桨叶完全是用玻璃纤维来设计的,然而混杂纤维结构却具有很大的优点,它与±45°碳纤维层合板的拉伸模量(在0方向)一样大,与0°(单向)的玻璃纤维铺层材料的拉伸模量相同,这就可以用来获得最好的弯曲与扭转刚度结合。

  5.发动机

  最大的喷气发动机是涡轮风扇的而不是涡轮螺旋桨的,显然它有很多部位都采用了复合材料,尤其是在散热器端。一般来说,碳纤维聚酰亚胺复合材料用作转子与静子,芳纶被用于环绕发动机的外环,碳纤维层合板用于内外包皮与某些温度范围合适的导管,即温度可到250℃(513°F)左右,反推力鱼鳞片与吸音板也是很好的应用对象。

  采用碳纤维增强复合材料,在强度和刚度方面以及在较好的减振效果与抗疲劳方面都会有很好的改善。所用的材料具有较小的膨胀系数,使端部间隙较小而效率有所提高。在发动机的任意一处的减重意义都很重大,会使轴、盘的重量减轻,负荷减小,也使发动机短舱减重。

  碳纤维增强复合材料在航空工业方面的应用比例越来越大,预测先进的聚合物基复合材料是一种大有发展前途的材料,具有取代传统航空用材料的可能性,而且随着社会的发展和科学技术的进步,碳纤维增强复合材料在我国的发展潜力是巨大的。