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圖文解說高性能碳纖維在航空領域的應用
時間:2019年11月06日 來源:本站原創  作者:佚名 瀏覽次數:

1 碳纖維在飛機結構中應用


飛機結構分為主要結構(primary structure,又稱初級結構)和輔助結構(secondary structure,又稱次級結構)兩大類。其中初級結構包含重要結構和其它主要結構。重要結構指傳遞飛行、地面或者增壓載荷的關鍵結構件或者關鍵結構組件,結構件一旦失效,將導致飛機災難性事故。


次級結構僅傳遞局部氣動載荷或者自身質量力載荷的結構,結構失效不影響結構持續適航性/飛行安全。大多數次級結構主要作用為保證飛機氣動外形、降低飛行。飛機主要結構和輔助結構主要結構如圖1所示。

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圖1 飛機初級、次級結構主要組成


碳纖維在飛機結構件中首先是作為次級結構件應用,而且一般用量也不高,后續纖維性能穩定和提升,開始逐漸用于航空飛機的初級結構,碳纖維在飛機中初級、次級結構應用實例分別如圖2、圖3所示。

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圖2 碳纖維在飛機初級結構中應用

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圖3 碳纖維在飛機次級結構中應用


2 碳纖維復合材料在飛機領域用量


碳纖維復合材料在軍機應用比例逐漸增加(圖4),如歐洲臺風戰機碳纖維復合材料用量已占總重50%左右。碳纖維復合材料在軍機應用轉折點發生于上世紀70、80年代,由美國原麥道公司(現波音/Boeing)研發的F/A-18系列戰機。


1976年麥道公司率先研制了F/A-18的復合材料機翼,碳纖維復合材料的用量首次超過10%,后續通過進一步采用自動鋪絲技術為FA-18E/F制造CFRP的12塊機身蒙皮,10塊進氣管蒙皮,4塊水平尾翼蒙皮,碳纖維復合材料用量也突破20%。目前國外軍機上碳纖維復合材料用量約占機重20%~50%。

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圖4 碳纖維復合材料在軍機中用量


目前碳纖維復合材料在波音787和空客A350商業民用飛機中用量也達到50%及以上(圖5)。在波音B787飛機中,碳纖維復合材料已廣泛應用在機翼、機身、垂尾、平尾、機身地板梁、后承壓框等部位。波音787是全球首個同時采用碳纖維復合材料機翼和機身的大型商用客機。

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圖5 碳纖維復合材料在民機中用量


碳纖維復合材料在軍機、民機中應用研究均始于上世紀70年代(圖6),在上世紀90年代軍機中碳纖維復合材料應用比例大幅度增加后,國外主要公司開始考慮在商用飛機中逐漸增加碳纖維復合材料用量。2000年前后軍機中碳纖維復合材料用量接近30-40%,此時商用飛機中碳纖維復合材料用量仍在10%上下徘徊。

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圖6 碳纖維復合材料在軍機、民機中應用發展


3 碳纖維在民用飛機應用發展史


美國波音和歐洲空客作為全球領先的兩大商用民機生產商,關于碳纖維復合材料在民機應用開展了大量研究和實際應用。


自上世紀70年代,歐洲空客飛機便開始碳纖維復合材料應用研究,如當時A300飛機在天線罩、整流罩等結構件中首次采用了碳纖維復合材料,隨后幾十年,空客飛機不斷增加飛機中碳纖維復合材料用量,目前碳纖維復合材料可用于飛機主機翼、機身等結構件加工。

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圖7 碳纖維復合材料在歐洲空客飛機中應用


經過數十年研發,目前歐洲空客飛機用碳纖維復合材料成型加工及應用技術日臻成熟,以圖8空客A380飛機為例,其機身所有蒙皮壁板19段,22%的機身重量是碳纖維復合材料,尤其中央翼盒,總重8.8噸,碳纖維復合材料用了5.5噸,比金屬材料減重達1.5噸,其燃料經濟性相當可觀

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圖8 空客A380飛機中碳纖維復合材料結構件

 

                                                                                                            轉自:中科院寧波材料所特種纖維事業部

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