碳復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用（上）
更新時(shí)間：2024-10-22 09:36:35
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近年來(lái)，復(fù)合材料已成為汽車(chē)、航空航天、體育、建筑、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域最重要的材料。玻璃、碳和凱夫拉纖維等各種復(fù)合材料經(jīng)常被設(shè)計(jì)和制造用于飛機(jī)部件。1. 簡(jiǎn)介
碳纖維復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能特征而被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)。碳復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、剛度高、模量高等特性，在航空航天工業(yè)中非常受歡迎。碳復(fù)合材料提高了金屬合金的性能，使其能夠滿(mǎn)足所有極端條件。在航空航天工業(yè)中，碳復(fù)合材料最重要的特性是抗疲勞斷裂性能；這一特性有助于飛機(jī)起飛和降落。通過(guò)在飛機(jī)設(shè)計(jì)中用碳復(fù)合材料取代傳統(tǒng)的金屬合金，飛機(jī)的重量得以減輕。重量減輕后，油耗降低，從而降低成本。在航空航天工業(yè)中，波音 787 夢(mèng)想客機(jī)的制造中碳復(fù)合材料的體積占比超過(guò) 50%，接近 80%。
2. 復(fù)合材料分類(lèi)
它們由金屬基體制成，主要包括鋁、鈷、鎂、鐵、銅和鈦，以及分布式陶瓷或增強(qiáng)相。基體材料的選擇取決于應(yīng)用所需的質(zhì)量和服務(wù)環(huán)境。復(fù)合材料中使用的增強(qiáng)材料的數(shù)量可能高達(dá)總體積的 50%。SiC 顆粒、硼和Al2O3以及 Borsic 和TiB2 涂層碳可以快速有效地混合。由于鋁和鈦在高溫下具有出色的強(qiáng)度和耐腐蝕性，它們是汽車(chē)和航空航天工業(yè)中最常用的兩種金屬基體。
圖 1.全球?qū)饘倩鶑?fù)合材料的需求
從圖1可以看出，金屬基復(fù)合材料的需求在不斷增長(zhǎng)。根據(jù)“markets and market”報(bào)告，全球金屬基復(fù)合材料市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2020年的4.67億美元增至2025年的7.87億美元。金屬基復(fù)合材料在汽車(chē)和運(yùn)輸行業(yè)以及航空航天業(yè)中的應(yīng)用正在推動(dòng)金屬基復(fù)合材料市場(chǎng)的增長(zhǎng)。飛機(jī)減重是最重要的因素，強(qiáng)度重量比也是航空航天業(yè)的一個(gè)重要因素。這些復(fù)合材料由陶瓷基體增強(qiáng)而成，例如氧化鋁、碳和氮化硅。陶瓷用于航空航天應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兙哂卸喾N理想的特性，包括高韌性和高溫穩(wěn)定性以及耐磨性。可以使用短纖維和長(zhǎng)纖維來(lái)達(dá)到特定的質(zhì)量水平。短陶瓷基復(fù)合材料的韌性使其更耐斷裂擴(kuò)展，但它也容易造成的失效。碳、玻璃、金屬和凱夫拉纖維被放入基質(zhì)中作為增強(qiáng)材料。這些材料通常很硬，具有高強(qiáng)度、剛度、耐高溫和耐磨性。增強(qiáng)材料以顆粒、薄片和晶須的形式出現(xiàn)。它們的主要目的是承載復(fù)合材料的負(fù)載。玻璃纖維現(xiàn)在廣泛用于制造汽車(chē)零件、船體、運(yùn)動(dòng)裝備和建筑裝飾板。最近的研究表明，碳化硅顆粒、氮化硼、氧化鋁和氧化鋅是聚合物基質(zhì)實(shí)現(xiàn)某些機(jī)械和電氣特性的最佳增強(qiáng)材料。3.航空航天用復(fù)合材料
復(fù)合材料有多種類(lèi)型，但碳纖維增強(qiáng)材料由于其高抗拉強(qiáng)度、高模量、低成本、低蠕變等特性，在航空航天結(jié)構(gòu)應(yīng)用中廣受歡迎。在航空領(lǐng)域，碳纖維幾乎無(wú)處不在。據(jù)報(bào)道，波音787夢(mèng)想客機(jī)的重量50%由復(fù)合材料制成，其中碳纖維層壓板或碳纖維夾層占復(fù)合材料的大部分。碳纖維用于機(jī)身、水平和垂直機(jī)翼、尾翼、門(mén)和內(nèi)飾等各個(gè)部件。航空領(lǐng)域使用的碳復(fù)合材料的細(xì)節(jié)如圖2所示。除了燃油效率外，波音公司還指出，碳和其他復(fù)合材料不需要太多維護(hù)，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)像金屬那樣腐蝕或疲勞。碳纖維飛機(jī)的利潤(rùn)更高，因?yàn)樗鼈冃枰木S護(hù)更少，飛行時(shí)間更長(zhǎng)。
復(fù)合材料的制備方法有兩種：薄膜堆疊法和制造法；根據(jù)其機(jī)械、物理和化學(xué)特性，復(fù)合材料可分為不同的類(lèi)別。對(duì)于飛機(jī)設(shè)計(jì)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用碳復(fù)合材料，我們可以提高飛機(jī)的整體效率，減輕重量等。對(duì)波音公司來(lái)說(shuō)，最重要的參數(shù)是通過(guò)有效使用碳復(fù)合材料來(lái)減輕重量和減少燃料。我們可以將燃油效率提高 10% 至 12%，還可以將重量減輕20%。碳纖維復(fù)合材料可用于飛機(jī)的外部和內(nèi)部。例如，在機(jī)艙、座椅、貨艙門(mén)等。由于涉及到各項(xiàng)指標(biāo)，這個(gè)選擇過(guò)程非常困難且復(fù)雜；因此，這個(gè)決策過(guò)程被稱(chēng)為多標(biāo)準(zhǔn)決策過(guò)程 (MCDM)。被實(shí)驗(yàn)的復(fù)合材料能夠在高溫下保持其性能，尤其是物理性能，合格的材料需要能維持很長(zhǎng)一段時(shí)間的熱穩(wěn)定性 。
3.1. 波音 787-夢(mèng)想飛機(jī)波音 787 夢(mèng)想客機(jī)是一款遠(yuǎn)程商用飛機(jī)，此機(jī)型廣泛使用了碳復(fù)合材料。與舊型號(hào)相比，每個(gè)座位的油耗降低了約 20%。碳復(fù)合材料用于波音787 夢(mèng)想飛機(jī)的不同部件，包括機(jī)翼、翼?xiàng)U、機(jī)身部分、尾翼等。碳纖維的使用提高了飛機(jī)的整體效率，同時(shí)也使其更輕。由于燃料消耗低，它可以在更短的時(shí)間內(nèi)運(yùn)送更多的乘客。繼波音 787 夢(mèng)想飛機(jī)采用碳纖維復(fù)合材料后，其他航空公司，如 Beech Starship，也開(kāi)始在其飛機(jī)設(shè)計(jì)中加入碳復(fù)合材料。這是一架美國(guó)公務(wù)機(jī)，機(jī)翼和機(jī)身結(jié)構(gòu)中使用的碳纖維數(shù)量約為90%。與之相比，空客 A320?340 的生產(chǎn)過(guò)程中僅使用了超過(guò) 15% 的碳復(fù)合材料。
繼波音公司之后，空客也開(kāi)始在其飛機(jī)生產(chǎn)設(shè)計(jì)中使用碳纖維復(fù)合材料。空客 A350 XWB是第二大在制造設(shè)計(jì)中使用碳復(fù)合材料超過(guò) 50% 的飛機(jī)。2014 年 12 月，卡塔爾航空接收了第一架空客 A350 XWB 飛機(jī)。2015 年 1 月，卡塔爾航空成為第一家運(yùn)營(yíng)空客 A350 XWB 的航空公司。空客 A320340 是一款歐洲商用飛機(jī)。這架飛機(jī)在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中使用了 15% 的復(fù)合材料。尾翼是他們使用碳復(fù)合材料制造的結(jié)構(gòu)。
圖3.空中客車(chē)A350 XWB的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空客 A350?XWB（圖 3）的 53% 和波音 787 夢(mèng)想飛機(jī)的 50% 使用了復(fù)合材料。采用碳纖維增強(qiáng)聚合物基質(zhì)的飛機(jī)設(shè)計(jì)具有低斷裂韌性、低熱沖擊吸收和高拉伸強(qiáng)度等特性。
軍用飛機(jī)空客 A400M也在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了碳復(fù)合材料。空客 A400M在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用碳復(fù)合材料后，將總重量降低到多達(dá) 30%。空客 A400M 的多個(gè)部件都采用了碳復(fù)合材料，包括作為飛機(jī)控制面的尾部。當(dāng)在航空設(shè)計(jì)中使用碳復(fù)合材料時(shí)，飛機(jī)變得更輕，性能更好。
碳復(fù)合材料也用于空客 A380 的設(shè)計(jì)。最初，鋁是此飛機(jī)設(shè)計(jì)中使用的主要金屬。但由于鋁是一種重金屬，無(wú)法與濕度和雨水等外部環(huán)境保持良好的平衡，航空業(yè)轉(zhuǎn)向使用碳復(fù)合材料，從而使飛機(jī)更輕。碳復(fù)合材料用于空客的各種部件，包括后部壓力艙壁、中央翼盒、尾錐和襟翼。碳復(fù)合材料因?yàn)樗鼈兤渚_的剛度、高強(qiáng)度重量比、低屈服強(qiáng)度和低剛度，被廣泛地用于這一空中客車(chē)飛機(jī)家族最大的客機(jī)機(jī)型。4. 復(fù)合材料制造
復(fù)合材料制造采用不同的制造工藝。壓縮成型、纖維纏繞和樹(shù)脂傳遞成型是用于航空航天復(fù)合材料的幾種工藝。在一種復(fù)合材料中添加兩種或多種增強(qiáng)聚合物會(huì)形成混合復(fù)合材料。開(kāi)放式成型和封閉式成型是生產(chǎn)航空用碳纖維復(fù)合材料的兩種方法。在成型和精加工過(guò)程中，復(fù)合纖維會(huì)立即從樹(shù)脂溶液中排出。開(kāi)放式成型和封閉式成型是生產(chǎn)航空用碳纖維復(fù)合材料的兩種方法。在成型和精加工過(guò)程中，復(fù)合纖維會(huì)立即從樹(shù)脂溶液中排出。
圖4.采用薄膜堆疊法將熱塑性薄膜和增強(qiáng)纖維逐層排列復(fù)合材料由三種不同的材料組合而成。環(huán)氧樹(shù)脂、催化劑硬化劑和天然橡膠顆粒混合。然后將液體倒入模具中，隨后用纖維覆蓋并重復(fù)。該方法廣泛采用的是模壓成型。碳纖維增強(qiáng)聚合物主要通過(guò)液壓壓機(jī)的模壓成型工藝生產(chǎn)。復(fù)合材料的制備從初始層逐層開(kāi)始，然后將增強(qiáng)纖維織物和聚合物薄膜逐層放置。這種方法稱(chēng)為薄膜堆疊法，如圖4所示。將混合物壓入模具并固化兩天后，即可得到所需的 CFRP 制造件。制造過(guò)程中使用的成分包括環(huán)氧樹(shù)脂、天然橡膠、碳纖維和其他元素。評(píng)估碳復(fù)合材料的機(jī)械性能是制造過(guò)程中最有效用的部分之一。各種復(fù)合材料制造工藝如圖 5 所示。
5. 碳復(fù)合材料的力學(xué)測(cè)試及性能有多個(gè)組織已制定了復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)化檢查程序。ASTM、ISO 和 CEN（歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)）是最重要的全球復(fù)合材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。除了全球標(biāo)準(zhǔn)外，還有幾個(gè)制造商制定特定的標(biāo)準(zhǔn)，例如波音的 BSS 系列和空客的 AITM 系列，在航空界也被廣泛使用。ASTM D 3039、EN 2561、EN 2597、ISO 5274 和 ISO 5275 是常用的層壓板拉伸測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。5.1. 機(jī)械試驗(yàn)類(lèi)型碳復(fù)合材料制造的大多數(shù)機(jī)械測(cè)試包括壓縮、拉伸和其他測(cè)試（如彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度）。以下是廣泛用于獲得各種性能的測(cè)試。靜態(tài)試驗(yàn)用于測(cè)量材料的強(qiáng)度和應(yīng)變能力。使用拉伸載荷完成此試驗(yàn)。樣品的強(qiáng)度和應(yīng)變能力也通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)確定。在不同的短期極限拉伸強(qiáng)度百分比下進(jìn)行這兩項(xiàng)試驗(yàn)的平均百分比范圍為1060%。當(dāng)樣本受到反復(fù)的靜態(tài)應(yīng)力時(shí)，該測(cè)試將測(cè)量其抗斷裂能力。為了減少熱量產(chǎn)生，復(fù)合材料的測(cè)試應(yīng)用頻率應(yīng)保持在 510Hz 左右。必須采用恒定振幅的拉伸拉伸、拉伸壓縮或頻譜加載來(lái)模擬給定應(yīng)用中的真實(shí)負(fù)載條件。制造層壓板時(shí)，應(yīng)遵循 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)。樣本在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) (UTM) 上進(jìn)行拉伸測(cè)試，從而確定層壓板的彎曲和拉伸模量。上述測(cè)試是在各種載荷條件下進(jìn)行的，包括拉伸和壓縮載荷，以及存在沖擊器時(shí)，在拉伸或壓縮載荷階段，在非常規(guī)條件下對(duì)選定的樣本進(jìn)行沖擊。載荷間隔為一百萬(wàn)秒。這些測(cè)試在不同的溫度和吸濕量下進(jìn)行。試驗(yàn)機(jī)由加載框架、兩個(gè)橫梁（一個(gè)旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)固定）以及將它們分開(kāi)的伺服液壓活塞等部件組成。簡(jiǎn)單的靜態(tài)測(cè)試使用螺旋驅(qū)動(dòng)儀器進(jìn)行。這些設(shè)備價(jià)格合理，操作危險(xiǎn)性較低。圖 6 顯示了不同樣本的彎曲強(qiáng)度。
圖 6.不同試件的抗彎強(qiáng)度不同
在正常環(huán)境下，環(huán)氧樹(shù)脂的靜態(tài)強(qiáng)度優(yōu)于鋁合金。由于纖維具有脆性，因此復(fù)合材料本質(zhì)上是彈性材料。彈性材料具有在受力后恢復(fù)到其先前形狀的特性；因此，它們會(huì)重新形成結(jié)構(gòu)特性上的載荷。缺口敏感性與纖維模量成正比；隨著纖維模量的增加，缺口敏感性增加，局部應(yīng)力集中度下降。