宋興龍

摘 要：本文首先介紹了碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢，以及在飛機結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的必要性，之后闡述了碳纖維復(fù)合材料在飛機上應(yīng)用的相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；飛機結(jié)構(gòu)；必要性；應(yīng)用要求

作為一種纖維狀的碳素材料，碳纖維的含碳量超過90%，與其他性能較高的纖維材料進行比較，碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)特征更為優(yōu)異。而飛機和航天飛機的結(jié)構(gòu)，要求具有高強度質(zhì)量比和高剛度質(zhì)量比的結(jié)構(gòu)，是典型的對總質(zhì)量敏感的結(jié)構(gòu)，而碳纖維復(fù)合材料正是由于具有的良好性能，因此時飛機制造業(yè)中最為理想的材料，在飛機制造業(yè)當(dāng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。此外，伴隨當(dāng)前飛機性能的越來越高的要求，在航空領(lǐng)域當(dāng)中復(fù)合材料的應(yīng)用更是發(fā)展迅猛。

1 碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢以及在飛機結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的必要性

在20世紀60年代中期，黨以碳纖維作為增強體的先進復(fù)合材料一出現(xiàn)，就于70年代被在飛機結(jié)構(gòu)上應(yīng)用。和金屬材料進行比較，先進的碳纖維復(fù)合材料主要選取的是石墨、碳、芳綸以及硼作為纖維，而其中的碳纖維更是采用的人造絲、聚丙烯睛以及石油瀝青等有機物的熱解而制作的。通常來看，假如此類纖維的彈性模量出現(xiàn)了增大的現(xiàn)象，那樣其抗拉強度就會降低。由于碳纖維是先進加強件上應(yīng)用最為通用的纖維材料，所以受大了航天飛機的青睞，應(yīng)用的最為廣泛。應(yīng)用先進復(fù)合材料，不論是對飛機結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化，還是模塊化方面都具有非常關(guān)鍵的作用。隨著復(fù)合材料設(shè)計和制造技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，先進復(fù)合材料在軍、民用飛機上的用量也在不斷擴大。復(fù)合材料用量的劇增，帶動了復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的專業(yè)化和規(guī)模化發(fā)展，使先進復(fù)合材料正逐漸的成為更為穩(wěn)定和成熟的航空材料。目前，復(fù)合材料已經(jīng)和鋁、鋼、欽共同成了航空結(jié)構(gòu)的4大材料。

因為復(fù)合材料具有較高的比剛度和比強度等優(yōu)異特性，因此在飛機結(jié)構(gòu)上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。從當(dāng)前我國新研制的飛機來看，不僅可以在垂尾、水平安定面以及副翼等結(jié)構(gòu)上采用復(fù)合材料，同時在機翼翼盒和機身等主結(jié)構(gòu)上也可以采用復(fù)合材料，使得結(jié)構(gòu)一體化程度高，系統(tǒng)安裝較為簡單，減少零部件數(shù)，縮短總裝時間。復(fù)合材料非比尋常的物理特性和可設(shè)計性，以及近年來生產(chǎn)成本的降低，加速了飛行器結(jié)構(gòu)選材從金屬材料向復(fù)合材料轉(zhuǎn)變的進程。另外，復(fù)合材料的應(yīng)用具有可使飛機結(jié)構(gòu)減重10%～40%、結(jié)構(gòu)設(shè)計成本降低15%～30%的優(yōu)勢。面對較高的燃油價格和越來越嚴格的污染物排放標準，復(fù)合材料能使飛機減重的優(yōu)點，就顯得特別的重要。

2 碳纖維復(fù)合材料在飛機上應(yīng)用的相關(guān)要求

2.1 碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的要求

碳纖維復(fù)合材料擁有自身特殊的性能特征，因此在設(shè)計碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)時，要充分考慮其破壞機理，不要只是對金屬的結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法照抄照搬，這樣所設(shè)計出的碳纖維復(fù)合材料在性能上就可能不如金屬材料。因此，為使飛機結(jié)構(gòu)上碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用能夠更好發(fā)使其具有的優(yōu)勢發(fā)揮出來，進而設(shè)計出成本低性能優(yōu)的復(fù)合材料。而為了可以使碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計技術(shù)更加的有效，就要強化碳纖維復(fù)合材料設(shè)計人才的培養(yǎng)，從而促進碳纖維復(fù)合材料研結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的提升。

2.2 碳纖維復(fù)合材料抗沖擊性能方面的要求

碳纖維復(fù)合材料應(yīng)是否可以更好的應(yīng)用在飛機結(jié)構(gòu)上，沖擊損傷是其中最為重要的影響。一般會將CAI@6.7Jhmn作為對碳纖維復(fù)合材料抗沖擊性能進行評定的技術(shù)指標，然而在實際上，在飛機結(jié)構(gòu)上應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，要對中厚蒙皮使用的損傷容限性能，以及對薄蒙皮與薄面板夾層結(jié)構(gòu)使用的損傷阻抗性能兩個方面都要進行考慮。對于飛機上的不同部位來說，應(yīng)該使用力學(xué)性能不同的碳纖維復(fù)合材料，所以對碳纖維復(fù)合材料的性能指標進行評定時就需要對各個指標參數(shù)進行綜合評定。

2.3 碳纖維復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)使用上的限制范圍

碳纖維復(fù)合材料以其優(yōu)良的力學(xué)性能夠使飛機的結(jié)構(gòu)質(zhì)量得以有效降低，同時也使得善飛機的結(jié)構(gòu)性能得以改善。隨著航空航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料在軍用民用飛機上的應(yīng)用比例會更加的提高。然而就當(dāng)前來看，碳纖維復(fù)合材料的價格仍然很高，因此在民用客機上，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用比例還較低，因此在對復(fù)合材料進行應(yīng)用的過程中依然應(yīng)該對價格/性能比進行考慮。當(dāng)前，碳纖維復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)總量的1/4，而從原材料的工藝水平以及價格方面來看，短期內(nèi)民用飛機的碳纖維用量適合控制在這個比例范圍之內(nèi)。

2.4 碳纖維復(fù)合材料成本控制方面的要求

要在飛機結(jié)構(gòu)上更為廣泛的應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，對其應(yīng)用的成本進行有效的控制十分的關(guān)鍵。從成本控制來看，可以通過兩個方面來實現(xiàn)，分別是降低碳纖維和復(fù)合材料的制備成本以及成型技術(shù)的成本兩個方面。復(fù)合材料在制備的過程中碳纖維、碳布、預(yù)浸料和基體樹脂等原材料都能夠從預(yù)算上進行控制，然而需要注意的是不可以利用對價格的犧牲來換取成本的降低，而是要從生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)方案以及技術(shù)路線等方面進行控制。同時，還應(yīng)該對復(fù)合材料制備新技術(shù)不斷的進行優(yōu)化，從而達到生產(chǎn)周期縮短、生產(chǎn)效率提高、廢品減少、質(zhì)量提高的目的。

3 結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能十分的優(yōu)異，和其他性能較高的纖維材料進行比較，都具有最高比的模量和強度，即使是在超高溫的狀態(tài)下碳纖維的強度也不會因此而下降，故而在飛機制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，然而因為其技術(shù)所具有的限制，導(dǎo)致目前在飛機結(jié)構(gòu)上還無法完全的對該種材料進行應(yīng)用，所以仍要進一步的對其進行探討和研究。

參考文獻

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（作者單位：沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司）