碳纤维复合材料在大飞机上的应用.pdf

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1、碳纤维复合材料在大飞机上的应用贺 福，孙 微（中国科学院 山西煤炭化学研究所，太原 0 3 0 0 0 1）摘 要:碳纤维复合材料具有质量轻、高比强度、高比模量、耐疲劳、耐腐蚀、耐高温和尺寸稳定性好等一系列优异性能，已广泛用于飞机制造业。尤其是近年来，在大型客机A380和B787上的用量已占到结构总量的50%左右，引起人们的极大关注。这一市场的需求必将促进碳纤维工业的大发展。关键词:碳纤维；碳纤维复合材料；大飞机；应用中图分类号:V258 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 7-9 8 1 5（2 0 0 7）0 6-0 0 0 5-0 4收稿日期:2007-11-09作者简介:贺福（1 9

2、 3 9-），男，山西交城人，研究员，主要从事碳纤维的基础研究及其制造工艺研究，(电话)0 3 5 1-4 1 2 4 0 1 7(电子信箱)h e f u s x i c c.a c.c n。The Application of Carbon Fiber Composite Materials in Giant PlaneHE Fu,SUN Wei(I n s t i t u t e o f C o a l C h e m i s t r y,C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s,T a i y u a n 0 3 0 0 0 1 C

3、 h i n a)Abstract:Carbon fiber composite materials have been applied extensively in aviation industry,due to their excellentproperties of light weight、high specific strength、high specific modulus、resistance to fatigue,corrosion,high temperature and stable dimension.Especially in resent years,it is c

4、aused close attention that the application ofcarbon fiber composite materials has reached about a half of the structures in the giant airliner A380 and B787.Themarket requirement will certainly bring about a great advance in carbon fiber industry.Key words:carbon fiber;carbon fiber composites materi

5、als;giant plane;applicationVol.32 No.6Dec.2007高 科 技 纤 维 与 应 用Hi-Tech Fiber&Application第32卷 第6期2007年12月前 言碳纤维复合材料（CFRP）有质量轻等一系列优异性能，在飞机制造业中已得到广泛应用。首先是在战斗机上的用量与日俱增。例如，美国战机超级“大黄蜂”（F/A-18E/F）CFRP用量约为19%，法国战机“阵风”用量约为24%，英国战机“台风”（EP2000）用量约为40%。直升飞机也大量采用CFRP。例如，由哈尔滨飞机制造厂生产的直-9型直升飞机，武装了驻港部队和参加了2007年上海合作组织在

6、俄罗斯的反恐军演，是我国先进的直升飞机。该机复合材料用量已占到60%左右，主要是CFRP。此外，日本生产的“OH-1忍者”直升飞机，机身的40%是用CFRP，桨叶等也用CFRP制造。市场需求是碳纤维发展的驱动力。1981年，波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维，促进了高性能碳纤维的研发步伐。1984年，日本东丽公司率先研制成功T800；1986 年，又研发成T1000。随后，日本东邦、三菱人造丝公司和美国Hexcel公司相继研制出同类高性能碳纤维，为制造大飞机提供了新型复合材料。从此，CFRP在大飞机上的用量直线上升，同时也促进了碳纤维工业的发展和先进复合材料技术的日趋完善。1 高强中模碳纤

7、维和韧性基体树脂通用级T300碳纤维其CFRP可用来制造飞机的二次结构部件。例如，T300/5208用来制造B757、B767和B777的二次结构部件。但因T300的抗拉强高科技纤维与应用-6-第32卷度仅为3.53 GPa，抗拉模量为231 GPa，特别是断后延长仅有1.5%，满足不了制造一次结构件的要求。随后开发成功的高强中模型（IntermediateModulus）碳纤维在上述3项质量指标有了大幅度提高，在配套韧性环氧树脂所制高性能CFRP就可用来制造大飞机的一次结构件。表1列出了高强中模碳纤维的主要品牌及性能。由表1列出的数据可知，这类高强中模碳纤维的性能比通用级T300有了大幅度提

8、高。我国目前还不能生产这类高性能碳纤维，处于实验室研制阶段，有望在“十一五”期间有所突破。通用型环氧树脂固化后属于脆性材料，需增韧改性为韧性基体树脂。高强中模碳纤维与韧性基体树脂复合后所制韧性CFRP可用来制造大飞机的一次和二次结构件。其中，具有代表性的是T800H/3900-2（P2302）和IM7/8551-7。图1 是制造韧性CFRP的工艺流程示意图，图2是韧性P2302层压板的截面图。热固性树脂（TS）为母相，热塑性树脂（TP）为分散相，两者均匀混合固化成型。在热固化成型过程中，TS成为三维交联体，TP仍保持线性特性，赋予CFRP韧性。这样可制得韧性CFRP。T800H/3900-2（

9、P2302）是典型的用来制造大飞机一次和二次结构件的韧性复合材料。所以，除了提高碳纤维性能外，增韧改性基体树脂仍是国内外研究的热点课题之一。2 韧性C F R P 在大飞机上应用需关注的技术关键随着碳纤维性能的不断提高，增韧改性基体树脂的不断深入和复合技术的日趋完善，韧性CFRP在大飞机上的应用逐步拓宽。未来500600座的大飞机将成为航空客运的主力机型。为此，应关注以下几个技术课题和解决对策：设计允许应变达到0.6%，可用冲击后抗压缩强度（CAI）来评价。这就需用高强度、大伸长碳纤维与韧性基体树脂来复合。例如，T800H/3900-2或IMT/8551-7的韧性预浸料，可达到上述指标。而T3

10、00 CFRP的设计允许应变仅为0.3%0.4%，满足不了设计要求。提高抗CFRP的抗冲击强度，需采用高强度、大伸长碳纤维。例如，T700S断后延长高达2.1%（表1）。上浆剂中可含有热塑性塑料微粒，提高其韧性。提高冲击损伤后的抗压缩强度（CAI），需采用高强度、大伸长碳纤维与韧性环氧树脂复合。控制碳纤维石墨微晶尺寸，也可提高抗压缩强度。同时，研究韧性耐热的热可塑性树脂，作为新一代韧性基体树脂。提高抗层间剪切强度（ILSS），改善两相界面粘接强度，有效传递载荷。同时，采用三维编织物和RTM成型技术，也可有效提高ILSS和防止层间剥落现象。提高CFRP的耐热性，以适应超音速飞行。除提高基体树脂的

11、耐热性外，也应关注碳纤维表面图 1 特殊层间的韧性预浸料图 2 韧性P 2 3 0 2 层压板的截面贺福，孙微:碳纤维复合材料在大飞机上的应用第6期-7-上浆剂的湿热性能。吸湿会降底CFRP性能。采用整体成型的先进复合技术来制造大型构件，如体翼一次成型技术。这不仅提高整体复合件的性能，而且可大幅度减少零件数目和紧固件数目，有利于降低生产成本。损伤的检测和大面积无损探伤是安全飞行的保证。采用多种灵敏传感器和检测器监控飞机的各项质量指标，做到万无一失和安全飞行。3 碳纤维在大飞机上的应用所谓大飞机是指200座以上（含200座）、有效载荷在100 t以上的大型飞机。表2列出CFRP在大飞机上用量逐年

12、递增的情况。显然，CFRP在空客A380和波音787上的用量已占到结构总质量的50%，可称之为复合材料飞机。图3是波音787所用结构材料的质量比，制造波音机通用的铝合金、钛合金分别降低到20%和15%，CFRP成为制造大飞机的主体材料。大飞机除了大型民航客机外，还包括战略轰炸机、预警机、运输机等。表3列出了这些大飞机的起飞总质量。显然，这些庞然大物的起飞总质量都在ht 级以上。尤其是俄罗斯生产的战略轰炸机图-160，起飞总质量高达285 t/架。如果这些大飞机大量采用CFRP，可大大减轻自身质量，可有效增加航程或增加有效载荷。CFRP是制造大飞机结构材料的最好选材，而表 1 高强中模碳纤维的主

13、要牌号及性能 公司名称 碳纤维牌号 抗拉强度 抗拉模量 断后延长率 密 度 直 径 /GPa /GPa /%/(g.cm-3)/m东丽T700SC4.902312.11.807.0东邦三菱人造丝HexcelT800HIM400IM600MR50IM7IM7-500IM7-6005.514.514.515.495.085.535.762962952852952762762921.91.52.01.81.82.02.01.811.741.861.801.781.781.785.15.05.05.05.05.05.0表 2 CFRP在大飞机上的用量逐年递增 年 代 机 型 结构材料 CFRP 用量

14、CF 用量1982B767 等1.5(B767)199520062008B777A380B787二次结构材料一次结构材料；二次结构材料一次结构材料；二次结构材料一次结构材料；二次结构材料1035351(B767)72323t/架图 3 波音787所用结构材料的质量比例复合材料50%铝合金20%钛合金15%钢材10%其它5%高科技纤维与应用-8-第32卷收，赋予其吸波功能。这种结构吸波和涂层吸波相叠加，大大增强了综合吸波动功能。这也就是说，特种CFRP不仅是结构材料，而且也是结构吸波材料。4 展望未来，任重道远国务院已批准大飞机立项，航空强国在不久将来变为现实。但这一宏伟计划任重道远。首先是我国

15、碳纤维工业与先进国家相比存在15 a左右的差距，我们还不能生产高强中模碳纤维，T300仍处于产业化阶段。实验室研制高强中模碳纤维虽然取得长足进步，但产业化仍有一段路要走。在国家大力支持和有实力民营企业的介入，缩短产业化时间已（下转17页）表 4 目标外形尺寸及RCS 飞机名称 机长/翼展 RCS /m /m2海盗旗轰炸机(图-160)60/56B-2 轰炸机(隐身)鸟F-117A 隐身战斗机19/1218/1215/1121/5216/12注：RCS 为雷达散射截面积。F-4 战斗机米格-29 战斗机阵风战斗机人昆虫1563210.10.010.0250.000 01表 3 各种大飞机的起飞总

16、质量 飞机名称 起飞总质量战略轰炸机B-1215B-52B-2图-95图-160E-3AC-17A380预警机运输机空客221168185285147265590t注：表中数字未经核实，仅供参考；B-2 为隐身轰炸机；空客 A380 为 555 座，自身质量 150 t，起飞总质量590 t。图 4 B-1战略轰炸机的C/C刹车装置碳/碳（C/C）复合材料则是制造飞机刹车装置的优异材料。图4是B-2战略轰炸机的C/C刹车装置，图4是空客A320的C/C刹车装置。这些先进的C/C刹车装置可有效地把飞机降落过程中的动能转化为热能，不仅刹车制动的安全性高，而且可有效减轻质量。例如160座的空客A32

17、0，采用的C/C刹车装置（图5）可减质量140 kg。这种C/C刹车装置已在战机和客机上得到广泛应用。CFRP还可用来制造隐身飞机。B-2战略轰炸机属于隐身飞机，其雷达散射截面积（RCS）仅有0.1 m2（表4），不易被对方雷达发现，大大增加了突防能力和生存概率。B-2轰炸机大量采用先进的特种CFRP，所用碳纤维的截面积不是圆形，而是异型截面，如方形截面，且在表面沉积1层多孔碳粒或附着1层多孔微球，实施对雷达波的散射和吸图 5 空客320的C/C刹车装置 CHAKRADHAR R P.Elastic prodperties and spectro scopic studies of fast

18、ion conducting Li2O-ZnO-B2O3 glass systemJ.Materials research bulletin,2007,42:1 3371 347.2 BARBARA STUART.Infrared spectroscopy:Fundamentals and applicationsM.John wiley&sons,Ltd.,UK,2004.3 STOCH L,SRODA M.Infrared spectroscopy in the investigation of oxide glasses structureJ.Journal of molecular s

19、tructure,1997,511-512:7784.4 HIROSHI YAMASHITA,KAZUKIKO INOUE,TAKESHI NAKAJIN,et al.Nuclear magnetic resonance studies of 0.139MO(or M2O)-0.673SiO2-(0.188-x)Al2O3-于晓杰，岳云龙，李永艳，等:铝硼硅酸盐玻璃纤维结构与耐水动力学第6期-17-xB2O3(M=Mg,Ca,Sr and Ba,M=Na and K)glassesJ.J non-cryst solids,2003,331(1-3):128136.5 RICHARD K BRO

20、W,DAVID R TALLANT.Structural design of sealing glassesJ.J non-cryst solids,1997,222:396406.6 MISHRA R K,SUDARSAN V,KAUSHIK C P,et al.Effect of BaO addition on the structural aspects and thermophysical properties of sokium borosilicate glass J.J non-cryst solids,2007,353(16-17):1 6121 617.7 AVRAMOV I

21、,VASSILEV TS,PENKOV I.The glass transition temperature of silicate and borate glassesJ.J non-cryst solids,2005,351:472476.（上接8页）具备条件，高强中模碳纤维指日可待。制造大飞机约有10项关键技术，其中就包括复合材料的设计与制造。虽然我国制造较大飞机有一定的工作基础，如曾在20世纪80年代制造的运十和现正在制造的新支线飞机ARJ21，以及为波音、空客制造零部件，但主体制造大飞机，仍需解决许多关键技术问题。与此同步发展的高强中模碳纤维必须产业化。材料与制造密不可分，同步发展必

22、将使国产大飞机获得成功。参考文献:1 陈绍杰.浅谈复合材料的整体成型技术J.高科技纤 维与技术,2005,30(1):69.2 陈华辉.现代复合材料M.北京:中国物资出版社,1998.3 邢丽英.隐身飞机M.北京:化学工业出版社,2004.4 贺福.碳纤维及其应用技术M.北京:化学工业出版 社,2004.敬请重视和写好论文的中英文摘要1 写好中英文摘要的重要性中文文摘是沟通国内读者和作者之间的桥梁。在知识爆炸的今天，读者不可能通过直接浏览刊物的方式去获取全面的信息，只能通过专业的二次文献数据库，检索到相应文章的文摘，再提取原文。英文文摘是作者和国际同行进行交流的必经之路。在当今的科技领域，英语

23、已经成为事实上的国际交流语言。世界各国学者想追踪了解某一学科的发展情况，都会用英文工具书和数据库进行检索。2 如何写好中英文摘要摘要应概括正文的要点。一般来说，应包含研究对象（目的）、研究方法（所用的设备、材料）、结果和结论。写英文摘要时，不能因为某些内容不好翻译就弃掉要点。摘要要尽量简短，尽可能删掉课题研究的背景信息。摘要中出现的数据应该是最重要和最关键的数据。不需要自己标榜自己的研究结果。二次文献信息将脱离原文而独立存在，因此摘要中不能出现图表参数据。摘要中的内容应在正文中出现，不能对原文进行补充和修改。摘要中的缩写名称在第一次出现时要有全称（众所周知的缩写词除外）。摘要的句子应尽量简短，主谓语要搭配。(1)(2)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)