复合材料在民用航空飞机中的应用

复合材料在民用航空飞机中的应用

摘要:随着现代材料科学技术的发展,复合材料作为高性能的结构材料和功能材料,在民用航空领域的应用越来越广泛。本文对几种复合材料的性能进行了比较,介绍了复合材料在民航飞机上的功用,着重阐述了T300碳纤维/树脂基复合材料在民航飞机上的应用。

关键词:复合材料航空航天碳纤维飞机

在民用航空领域复合材料的应用对飞机减重、耐腐蚀和降低成本有着重要的作用。复合材料结构特点和应用效果,对于飞机结构实现轻质化、小型化和高性能化起着至关重要的作用,在飞机抗震动动稳定性、气动弹性、超声速巡航、过失速飞行控制、耐热性能、抗冲击损伤能力、前翼飞机先进气动布局和抗雷击防护等方面有着实际应用。

1 复合材料简介

复合材料是由两种或两种以上的原材料,通过各种工艺方法组合成的新材料。复合材料既保持民原材料的某些特点,又具有民原材料所不具备的新特征,并可根据航空飞机部件需要进行专门设计。复合材料与单一均质材料相比它具有较多的优越性,比如质量轻、抗震动、抗裂纹、耐热、抗冲击、防雷击等方面具有显著的优越性。复合材料与金属材料相比在导电性和成形工艺等方面有着显著差异,复合材料飞机密封、静电防护和抗雷击方面的作用十分重要。复合材料是由两

种或两种以上材料独立物理相,通过复合工艺组合构成的新型材料。复合材料既保留原组分材料的主要特点,并通过复合效应获得原组分材料所不具备的性能。通过材料设计可以使各组分材料的性能互相补充、彼此联系,从而获得优越性能。

复合材料飞机结构技术是以实现高结构效率、减轻飞机重量、改善飞机气动弹性和结构的坚固性等综合性能为目标的高新技术,对于民用航空飞机来说复合材料的应用对减重、耐腐蚀和降低经济成本有着重要作用,如波音飞机777∕787和空中客车A330∕A340∕A380上复合材料的应用,标志着航空飞机复合材料结构设计发展已经成熟。

2 几种复合材料性能比较

在民用航天飞机结构上应用的增强纤维主要有碳纤维、玻璃纤维、芳纶和硼纤维。碳纤维因其具有产量高、性能好、纤维类型规格多、成本低经济实惠等特点,在民用航天飞机结构上应用最为广泛。碳纤维增强树脂基复合材料在航天飞机舱门、机械臂和压力容器等方面有着重要的应用。几种飞机结构上常用纤维的性能比较如表1所示。

3 复合材料在民航飞机上的功用

自20世纪80年代起,我国将复合材料应用技术研究列入重点发展领域。复合材料应用实现了从次承力构件到主承力构件的转变,复合材料的垂直安定面﹑水平尾翼、方向舵、前机身等构件已在多种型

号飞机上使用,带整体油箱复合材料机翼等主承力结构已装机试飞成功。先进复合材料在我国民用航空上已进入实际应用阶段。

(1)复合材料在机翼上的功用。机翼采用复合材料结构是提高飞机结构效率,改善飞机气动弹性、飞行品质、控制特性的重要技术途径之一。机翼结构是民用航空飞机的主承力结构,机翼承受着多种高载荷,翼面外形较为复杂,在机翼翼面设计上有许多特点。复合材料的应用保证了机翼表面光滑和外形的准确性,满足了翼面包括外翼和中翼的气动弹性要求,其刚度和强度满足了飞机的稳定性和寿命要求。而且复合材料的应用对民用航天飞机在检查维护过程中具有良好的使用维护性和可修理性。

(2)复合材料在民用航空飞机机身结构上的功用。机身是飞机的躯干,其上连接着机翼、尾翼、起落架和发动机等部件,它们互相连接固定在一起,组成了一架完整的飞机。复合材料在民用航空飞机机身结构上的应用保证了机身承受各装载物的质量力和各连接部件受力构件载荷的协调传递。为了民用航空飞机降低成本,一般在机身、机翼和尾翼等部位使用同一种碳纤维复合材料。

4 碳纤维复合材料在民航飞机上的应用

碳纤维是以化纤和石油产品经特殊工艺制成的纤维,是碳含量在百分之九十以上的高模量和高强度纤维。具有高强度、高模量、质量比铝轻、耐腐蚀等特性,碳纤维复合材料以其独特和卓越的理化性能

在民用航空飞机领域有着广泛的应用。

随着碳纤维和基体树脂性能和产量的不断提高,而碳纤维增强树脂基复合材料在耐湿热性能和断裂延伸率方面也得到显著改善和提高。由于其性能的改善,碳纤维和基体树脂在民用航天飞机上的应用已由次承力结构材料逐步发展到主承力结构材料,拓宽了碳纤维和基体树脂在民用航天飞机工业中的应用。

将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料大大提高了耐腐蚀和抗疲劳的特性,而且因其质量轻具有明显的减重作用,在飞机的机身和尾翼等部位有广泛应用。目前,T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材料已经实现了民用航天飞机机体结构复合材料化。

碳纤维增强树脂基复合材料应用在航天飞机舱门和压力容器,其中最关键是航天飞机的热瓦,可以保证其能安全地重复飞行,而增强碳/碳材料RCC可以使航天飞机承受大气层所经受的最高温度1700 ℃。

5 结语

随着航空航天科学技术的进步,碳纤维的产量和质量的不断提高,民用航空飞机使用复合材料会使飞机变得更加轻巧和强固,复合材料的结构化,提高了燃油利用效率,使民用航空飞机提高了运营经济性和耐用性。各种性能优异的碳纤维复合材料将会越来越多地出现在民用航空航天领域中,为世界民用航空航天技术的发展做出更大的贡献。

参考文献

[1] 赵稼祥.碳纤维在美国国防军工上的应用[J].高科技纤维与应用,2003(1).

[2] 赵稼祥.碳纤维复合材料在民用航空上的应用[J].高科技纤维与应用,2003(3).