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复合材料在民用飞机中的应用趋势

 

  

      复合材料是除铝之外最重要的航空和航天材料。由于它们具有轻质的优点,在过去40年在民用飞机结构重量中所占的份额超过15%,在直升飞机和战斗机结构重量中所占的份额超过50%。除了它们的高刚度和强度之外,复合材料在其它性能方面的巨大潜力是其成功的另一个理由。比如限定其各向异性的特性、集成传感器或致动器于其中的能力、高结构阻尼和优良的疲劳性能是其典型的优点。

与传统材料相比,复合材料有以下特点

      可设计性。传统的材料随着周边环境的影响变化非常大,比如温度,当温度变化时,传统的材料会受温度的变化,产生体积变形等问题,而对于复合材料因为他具有两种或者两种以上的材料,可以进行相互补偿的作用,对温度的变化自然就比传统的材料好的多,复合材料从力学,电腐蚀,抗老化等各个方面都有较高的性能。可以使用复合材料做成飞机各个结构上的形状,便于维护和施工,从这个方面上来讲,对航线维护和定检维护获得了很大的好处。

      材料与结构的同一性。复合材料通过加工其结构性质任然可以完整的保留,这一个特点对航空结构飞机非常重要,在现在的民航客机中,由于多种材料连接,而造成的腐蚀明显增多,对于一些采用了复合材料的情况,就可以明显减少由于化学电位差的不同造成点位腐蚀等情况明显的减少,通过这个特性可以发现现在所使用的复合材料大大保持了材料与结构的同一性这个优势。

波音787的复合材料尾段

与传统的材料相比,复合材料在性能上有下述几个优点

      比强度、比模量大。拉伸强度与密度之比成为比强度,弹性模量与密度之比成为比模量。在多数状态下,这两个比值是度量材料承载能力的一个极重要的指标。复合材料与金属材料相比,具有高的比强度和比模量。例如,铝合金比强度和比模量分别是0.17和0.26,而碳纤维/环氧树脂复合材料的比强度和比模量分别是0.63和1.50。

      复合材料的耐疲劳性能好。复合材料的抗疲劳性能比金属材料的抗疲劳性能优越。例如,一般金属材料的疲劳极限是拉伸强度的45%-50%,而碳纤维/聚醋树脂复合材料的疲劳极限可达抗拉伸强度的70%-80%。

      复合材料具有脆性材料的特性。在到达失效点之前,他们的应力一应变关系是线性的。

复合材料在民用飞机的应用情况

      随着复合材料技术的发展,复合材料在飞机结构上的应用量不断提升,以至于其用量已成为评价飞机先进程度的一项重要指标。

      空中客车公司和波音公司的新型客机的投产给碳纤维工业带来了显著的推动作用。空客A350中复合材料用量已接近机体总质量的40%,波音787的机翼和机身上使用的复合材料超过了50%。空客公司研制的世界最大民用客机A380生产过程中更多地采用碳纤维材料,其中仅机身壁板采用碳纤维复合材料就达30多吨。

           空客、波音客机和运输机复合材料使用情况如下表所示:

复合材料在空客民用飞机的应用

      空中客车公司是首家在大型民用飞机上广泛采用复合材料的飞机制造商。A310是率先采用复合材料垂尾盒的民用飞机。A320是率先采用全复合材料尾翼的飞机,A340-500/600是率先采用碳纤维增强型复合材料(CFRP)大梁和后压力隔框的机型。A380的中央翼盒主要由碳纤维增强型复合材料制造,比先进的铝合金可以减轻1.5吨的重量。A380也采用了迄今世界上最大的复合材料后机身段。

      碳纤维增强复合材料在空客飞机结构重量中所占的比例,从1985占A310-300机型的5%,到A380的25%,再到A400M的35%,直到2013年投入运营的A350XWB的53%,是一个循序渐进的过程。

复合材料在空客各机型上的应用情况如下:

      A350XWB是迄今为止复合材料用量占全机结构重量比例最大的一种客机,代表了行业内复合材料技术的最新进展,其中复合材料、轻金属材料和硬金属材料的比例分别是53%、20%和21%,在空客飞机上第一次实现了复合材料的用量超过了金属材料。占据机体53%重量的复合材料相较于传统铝材可以有效降低飞机的重量,而且可以大幅减少针对机体疲劳程度相关检查的需要。另外,复合材料的大量使用也减少了对于A350XWB与机体腐蚀相关维护检查的要求。

A350XWB各种材料的使用情况

      350XWB机身是由四个部分的复合材料面板组装至碳纤维框架而成,其中有两块侧面板、一块顶面板及一块机腹面板。与其他采用复合材料的飞机相比,这种建造技术允许空客工程师依据机身不同部位分布的应力和载荷的计算值而定制每个面板复合材料的层叠厚度。

复合材料在波音民用飞机的应用

      波音公司是民用飞机最有名地制造商之一,其民用飞机复合材料的用量随着新机型的不断推出也在不断增长。波音的第一代民用客机B707没有采用复合材料,复合材料的用量为零。1960、1970年达先进复合材料在民用飞机上的用量还只有1%~3%,DC-9、DC-10、MD80和L1011等客机上先进复合材料的用量还只有1%左右,B747飞机的先进复合材料的用量有在当时比较高,也只有2%~3%。20世纪80年代民用飞机先进复合材料的用量有所提高,波音公司B757先进复合材料的用量为3%~4%,B767则达到4%~5%,B777中复合材料占比约12%。与波音777飞机相比,复合材料在波音787中的占比有很大的提升,达到50%,远超过铝所占的20%。

 

      B787机身机翼采用碳纤维层合结构,升降舵、方向舵保留了过去采用的碳纤维夹芯结构,发动机舱除受力大的发动机吊挂外均采用碳纤维夹芯结构,整流罩采用玻璃纤维夹芯结构。

      波音787的中央翼盒、主翼蒙皮、水平尾翼、垂直尾翼以及后机身前段(47段)都应用了铺带-热压罐固化工艺。后机身前段所铺层数最薄处为12层,而最厚处接近100层,自动铺带机能根据设计要求自动调整不同位置的铺层厚度、角度,并能留出窗口位置。

      波音787的前机身段和中机身44、46段均采用铺丝-热压罐固化工艺。该工艺适用于复杂的曲面,铺设时没有皱折,无须作剪裁或其他处理,但是成本较高。

      波音787的窗框、客货舱地板、机翼前缘以及其他小部件采用模压-加热固化工艺制造。这种工艺受到尺寸的限制,仅适用于中小型产品。Hexcel公司根据波音的要求开发了一种适合于模压成型的预浸料HexMc,制备的模压件棱角分明,抗疲劳性能比大部分金属好,和同体积的铝合金构件相比减重约50%。

B787复合材料机身段

      波音787的襟副翼和扰流片运用了缝合-真空辅助树脂转移成型技术(VARTM),并采用了新的注射胶料和碳纤维丝束编织的无纬布。波音787的机身后压力框也采用VARTM工艺制造。

      另外,波音公司民用飞机对先进复合材料用碳纤维品种和规格都有要求。

波音747飞机用复合材料对碳纤维的需求为:

      ※复合材料机翼上用T300-3k小丝束碳纤维和平纹碳布。

      ※发动机上应用T300、G30-500、AS-4、平纹碳布和8H缎纹碳布。

波音767飞机用复合材料对碳纤维的需求为:

      ※复合材料机翼上用的是T300-3K平纹碳布和TG30-500 3K平纹碳布。

      ※机身用的是T300-3K平纹碳布。

      ※垂直尾翼和水平尾翼上用T300-3K平纹碳布和G30-500 3K平纹碳布。

波音777飞机用复合材料对碳纤维的需求为:

      ※复合材料机翼上用的是T300-3K和T800-12K单向带(制蜂窝夹层)。

      ※机身用的是波音材料标准BMS 8-276单向带和平纹碳布;T800H-12K单向带和T300-3K平纹碳布。

      ※发动机上应用的是T300和G30-500平纹碳布和蜂窝夹层。

      ※尾翼上用T300-3K带、单向带和蜂窝夹层。

波音787飞机用复合材料对碳纤维的需求为:

      ※无论是机翼、机身、垂直尾翼或水平尾翼,均采用T800、T700、IM类炭纤维,包括6k、12k和24k。以及标准模量12k碳纤维布。

      ※发动机用标准模量3k碳纤维。

波音公司民用飞机应用先进复合材料的过程具有以下3个特点:

      (1)复合材料在民用飞机上的用量在不断扩大。

      (2)较大丝束的碳纤维在不断扩大应用,较小丝束碳纤维则被较大丝束纤维所取代。

      (3)T700和T800等较高性能的碳纤维逐步取代T300类碳纤维。

复合材料在C919的应用

      C919大型客机是建设创新型国家的标志性工程,具有完全自主知识产权。针对先进的气动布局、结构材料和机载系统,研制人员共规划了102项关键技术攻关,包括飞机发动机一体化设计、电传飞控系统控制律设计、主动控制技术等。先进材料首次在国产民机大规模应用,第三代铝锂合金材料、先进复合材料在C919机体结构用量分别达到8.8%和12%。

 

      其中碳纤维主要用于C919的尾翼和中央复合材料壁板以及主起落架舱门工作包、前起落架舱门工作包、翼身整流罩工作包和垂直尾翼工作包等地,机轮刹车系统则涉及碳/碳复合材料及高温合金的生产与制造。

      C919大型客机后机身前段由4块整体复合材料壁板、1个整体复合材料球面加筋框、6个复合材料C型框等组成,包含近600项零件。该部段是以新型复合材料为主体的主要机体结构,是大面积复合材料制造主体结构在国产民用飞机上的首次应用,有效降低了国产大飞机重量,提升了飞机的经济性。

      全新机翼也对材料与整体设计提出了更高的要求。C919客机的机翼与活动翼面全部是由中航工业西飞完成。参照波音787客机的机翼结构来看,只有全新设计的以碳纤维复合材料为主,铝锂合金、钛合金为辅的机翼结构才能满足全新机翼的强度要求。中国在C919客机的机翼上采用了类似等级的碳纤维复合材料应用预示中国的客机材料与加工技术已取得突破式进步,整体水平已居于世界前列。机舱内采用的“超细航空级玻璃棉”材料是由南京航空航天大学材料科学与技术学院陈照峰教授课题组研制,隔热隔音性能比目前最先进的美国波音公司标准还要高出近10%。“超细航空级玻璃棉”的纤维直径只有2-4μm,不仅具有导热系数更低,保温效果更好的特点,而且能大大降低物体的“保温层”所需的厚度。

 

      波音和空客公司在其波音787和空客A350上大量使用复合材料的事实表明,复合材料结构不仅减轻了飞机的结构质量,而且改善了飞机的耐腐蚀性能和抗疲劳性能,减低了飞机的维护费用,大幅度提高了民用飞机的安全性、经济性、舒适性和环保性,成为现代大型客机先进性和市场竞争力的标志。当今世界大型民用飞机已经进入了复合材料时代,我国自主研制的大飞机也正积极面对挑战,在积极跟进世界领先步伐的同时,也要注意以下几点:

      做好技术储备和控制研发风险。尽管复合材料在飞机结构件上的大规模应用可以减轻结构质量,减少飞机全寿命费用,但是新材料、新工艺、新结构和新技术的采用势必会增加飞机研制的风险。波音787在研制时机身整体成型的技术难题严重影响了飞机适航认证和交付用户的进度,5次推迟交付时间,给波音公司带来了巨大的负面影响。因此,国产大飞机在引进新材料和新工艺的过程中应采取循序渐进的方式,设计人员在选择飞机部件材料时不仅要考虑材料的先进性,提高飞机的性能,而且还要考虑材料的技术成熟度,控制研发风险。

 

明确设计方案,降低研制成本。空中客车公司原来的A350设计方案是在A330的基础上修改而成,计划机体复合材料用量仅为35%,远远落后于波音787。2005年,在客户的抱怨和压力下,处于困境之中的空客A350不得不重新修改设计方案,直到2007年A350客机的最终设计方案才宣告确定。但是由于设计方案的改变以及由此带来的制造技术问题,A350客机的研制计划不得不推迟整整3年,研制费用增加了1倍,达到100亿欧元。

      创新制造工艺,克服技术难题。复合材料飞机结构件的整体成型是目前民机制造业的主流趋势,但是制造过程中存在着变形较大的风险,造成装配的困难。数字化设计与仿真技术能很好的实现各零部件的优化设计,预测部件的变形情况。但是复合材料在计算机模拟中也存在一定的困难,主要是因为复合材料属于各向异性材料,每一层都由不同厚度的独立纤维层组成,而其中又存在不可预测的缺陷,想用计算机模拟复合材料的真实服役情况,比铝合金材料困难得多。因此,国产民用飞机在大型复合材料结构件的设计与制造方面应不断创新工艺方法,克服技术难题。

来源:高端装备发展研究中心。

 

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