摘要:发展轻质高强型复合材料是推动科技进步、国防建设、经济发展和增强国家竞争力的重要基础。其中,以碳纤维树脂基复合材料为代表的纤维增强复合材料是最典型的代表。近年来,碳纤维树脂基复合材料在世界各国的发展进程中起着重要的作用。本文首先阐述了碳纤维树脂基复合材料的特点,论述了航空碳纤维复合材料的应用,并详细分析了航空碳纤维树脂基复合材料的发展趋势。
关键词:航空;碳纤维复合材料;发展趋势
树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料,具有性能可设计、复合效应、多功能兼容、材料与构件同步制造等特点,以及高比强度和比刚度、可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀、可整体成型等优点。自20世纪70年代碳纤维增强树脂基复合材料开始在航空领域应用以来,经过多年的持续发展,树脂基复合材料逐步走向成熟,在航空领域获得了大量的工程应用,已发展成为目前最重要的航空结构材料,其用量成为衡量航空飞行器先进性的重要指标之一。
一、碳纤维树脂基复合材料特点
碳纤维树脂基复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体,以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料。
1、低密度。碳纤维树脂基复合材料密度仅为1.5～2g/cm3,相比金属、金属合金而言,其密度大幅度降低。
2、比强度、比模量高。其比强度是钢材的5倍,而其比模量则是其他结构材料的1.2倍左右,这充分说明了碳纤维树脂基复合材料在轻质高强方面的优越性。
3、耐高温性能好。在400℃时,铝合金的弹性模量近似为0,强度也急剧下降,而碳纤维树脂基复合材料的强度和弹性模量基本无变化。
4、良好的耐疲劳性能。金属材料的疲劳强度极限通常为拉伸强度的40%～50%,而碳纤维树脂基复合材料的疲劳极限能达到拉伸强度的70%～80%。
5、良好的抗腐蚀性。碳纤维树脂基复合材料的表面是一层高性能的树脂材料,因而具有良好的耐酸、耐碱及耐油等性能。
6、材料的可设计性。碳纤维树脂基复合材料的各向异性给设计带来较多的可选择性,可通过选择合适的铺层方向和层数,以获得具有相对最佳性能的碳纤维树脂基复合材料。
二、航空碳纤维复合材料的应用
为了提高和改善飞机性能,早在20世纪50年代,美国空军材料实验室(AFML)就开始寻求一种新型的结构材料,碳纤维复合材料正是在这种背景下被列入发展计划。
碳纤维复合材料的研究开发启迪于对玻璃纤维复合材料性能的认识和经验。通常,玻璃纤维复合材料的密度要高出碳纤维复合材料的l/3以上,其抗拉强度仅是碳纤维复合材料的2/3,而其模量则不到1/3,满足不了高性能飞机的要求。因此,研究高强度、高模量及低密度的增强纤维成为发展高性能纤维复合材料的前提。在碳纤维之前,曾经开发过硼纤维,1960年钨丝芯硼纤维开始了小批量的生产,硼纤维直径约100 m,其弹性模量达400GPa,拉抗强度达3800MPa;环氧增强的硼纤维(Vf≈60％)弹性模量达200 GPa(相对密度≈2.0),是玻璃纤维复合材料的弹性模量40 GPa(相对密度≈1.8)的5倍,约是铝合金的弹性模量70GPa(相对密度≈2.7)的3倍。因此,美国空军材料实验室将环氧增强的硼纤维复合材料命名为先进复合材料(ACM),并于20世纪60年代后期开始了在飞机结构上的应用,如飞机水平尾翼和垂直稳定面翼盒结构等。但硼纤维生产工艺复杂,成本高,硼纤维本身粗硬,很难在结构上推广应用。
基于这一事实,着手发展碳纤维复合材料,于20世纪60年代后期,研发成功聚丙烯腈基碳纤维并实现批量生产,从此开始了碳纤维复合材料在航空领域应用的里程。碳纤维复合材料具有优异的综合性能,被看成是一种理想的航空航天结构材料,近年来,在航空领域应用得到长足的发展。
此外,早期制约复合材料在商用飞机上应用的主要问题是成本和使用经验,进入2l世纪后,随着低成本技术的开发及使用经验的积累,复合材料在商用飞机上的应用进入大发展阶段。
目前,波音公司在推出的“梦想”B787飞机上,复合材料的用量将占到全机结构总重量的50％,是世界上第一款采用复合材料机翼和机身等主承力结构件的大型商用喷气式客机。由于大量采用复合材料而使飞机的结构重量大幅度降低,燃油效率可提高约20％。
三、航空碳纤维复合材料发展趋势
1、补齐力学性能短板,提高航空复合材料应用效率。随着碳纤维技术的进步,高强中模型碳纤维的力学性能比高强型碳纤维大幅度提高,其拉伸强度提高了约65%,拉伸模量提高了约30%,复合材料的拉伸强度也提高了约65%,但其单向复合材料压缩强度仅提高了约10%。T300级碳纤维复合材料的压缩强度与拉伸强度的比值约0.8,而T800级碳纤维复合材料的压拉仅0.5左右,高强中模碳纤维复合材料的压缩强度和拉伸强度严重不平衡,压缩相关的力学性能成为高强中模碳纤维复合材料的性能短板,制约了高强中模碳纤维复合材料的高效应用。因此,提高下一代碳纤维复合材料的压缩相关力学性能,解决复合材料压拉严重不平衡问题,是航空碳纤维复合材料发展的主要趋势之一。
2、提高碳纤维树脂基复合材料的耐热性能,扩大其应用范围。当前,高温环氧树脂基复合材料和双马来酰亚胺树脂基复合材料已成熟,其使用温度基本覆盖了230℃以下的温度范围,从耐温维度已完全覆盖铝合金的使用范围。230～600℃范围内、315℃以下的以聚酰亚胺树脂基复合材料为代表的高温复合材料技术已基本成熟,315～400℃的高温复合材料正在开展应用验证或试用,未来将结合材料基因组技术,融合有机及无机化学结构的工艺及性能特点,研究开发耐500℃,甚至600℃高温树脂基复合材料,以覆盖钛合金材料的使用温度范围,扩大树脂基复合材料的应用范围,以减轻航空装备的结构重量。
3、提高材料/制造/设计一体化水平,普及航空复合材料自动化制造工艺技术。当前,我国航空复合材料的自动化制造还处于起步阶段,正在开展大量的工程应用验证,仅有少量部件实现了工程应用,自动化工艺尚不足全部复合材料成型工艺的5%。因此,急需结合航空复合材料工程需求,结合材料/结构设计/制造工艺/自动化设备软硬件的综合技术研发,提高材料/设计/制造一体化水平,提高复合材料自动化制造工艺技术,提高航空复合材料的制造效率和结构的质量一致性。在重视热压罐成型蒙皮类零件成型自动化工艺的同时,尤其不能忽略的是,加筋壁板结构中数量多而零碎、耗时、费工的筋/肋/梁等零件的自动化制造技术研究,并拓展复合材料液体成型工艺的自动化技术、高温聚酰亚胺复合材料的自动化工艺技术、复合材料结构柔性自动化装配技术和高效自动化检测技术等。
4、降低航空复合材料综合制造成本,实现复合材料成本与用量的良性循环。高性能复合材料的低成本化是复合材料领域的长期研究主题之一,降低复合材料直接成本主要从原材料、固化周期、成型工艺等方面入手。但复合材料直接成本仅是其全寿命成本的一部分,航空复合材料全寿命成本包括设计研发成本、制造成本、销售成本、使用成本、维护维修成本、回收成本等,其中制造成本包括材料成本、人工成本、模具成本、固定资产成本、管理成本等。因而,在优化工艺技术、完善设计要求的基础上,扩大复合材料用量是降低复合材料综合制造成本的最有效的方法之一。
参考文献:
[1]陈祥宝.先进树脂基复合材料技术发展及应用现状[J].中国材料进展,2015(06).
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