碳复合材料在航空航天中的应用

发布时间：2024-10-22 浏览人数：人

近年来，复合材料已成为汽车、航空航天、体育、建筑、医疗等各个领域最重要的材料。玻璃、碳和凯夫拉纤维等各种复合材料经常被设计和制造用于飞机部件。

1. 简介

碳纤维复合材料因其优异的性能特征而被广泛应用于航空航天工业。碳复合材料具有强度高、重量轻、耐腐蚀、刚度高、模量高等特性，在航空航天工业中非常受欢迎。碳复合材料提高了金属合金的性能，使其能够满足所有极端条件。在航空航天工业中，碳复合材料最重要的特性是抗疲劳断裂性能；这一特性有助于飞机起飞和降落。通过在飞机设计中用碳复合材料取代传统的金属合金，飞机的重量得以减轻。重量减轻后，油耗降低，从而降低成本。在航空航天工业中，波音 787 梦想客机的制造中碳复合材料的体积占比超过 50%，接近 80%。

2. 复合材料分类

2.1. 金属基复合材料(MMC)

它们由金属基体制成，主要包括铝、钴、镁、铁、铜和钛，以及分布式陶瓷或增强相。基体材料的选择取决于应用所需的质量和服务环境。复合材料中使用的增强材料的数量可能高达总体积的 50%。SiC 颗粒、硼和Al2O3以及 Borsic 和TiB2 涂层碳可以快速有效地混合。由于铝和钛在高温下具有出色的强度和耐腐蚀性，它们是汽车和航空航天工业中最常用的两种金属基体。

图 1.全球对金属基复合材料的需求

从图1可以看出，金属基复合材料的需求在不断增长。根据“markets and market”报告，全球金属基复合材料市场预计将从2020年的4.67亿美元增至2025年的7.87亿美元。金属基复合材料在汽车和运输行业以及航空航天业中的应用正在推动金属基复合材料市场的增长。飞机减重是最重要的因素，强度重量比也是航空航天业的一个重要因素。

2.2. 陶瓷基复合材料（CMC）

这些复合材料由陶瓷基体增强而成，例如氧化铝、碳和氮化硅。陶瓷用于航空航天应用，因为它们具有多种理想的特性，包括高韧性和高温稳定性以及耐磨性。可以使用短纤维和长纤维来达到特定的质量水平。短陶瓷基复合材料的韧性使其更耐断裂扩展，但它也容易造成的失效。

2.3. 强化

碳、玻璃、金属和凯夫拉纤维被放入基质中作为增强材料。这些材料通常很硬，具有高强度、刚度、耐高温和耐磨性。增强材料以颗粒、薄片和晶须的形式出现。它们的主要目的是承载复合材料的负载。玻璃纤维现在广泛用于制造汽车零件、船体、运动装备和建筑装饰板。最近的研究表明，碳化硅颗粒、氮化硼、氧化铝和氧化锌是聚合物基质实现某些机械和电气特性的最佳增强材料。

3.航空航天用复合材料

复合材料有多种类型，但碳纤维增强材料由于其高抗拉强度、高模量、低成本、低蠕变等特性，在航空航天结构应用中广受欢迎。在航空领域，碳纤维几乎无处不在。据报道，波音787梦想客机的重量50%由复合材料制成，其中碳纤维层压板或碳纤维夹层占复合材料的大部分。碳纤维用于机身、水平和垂直机翼、尾翼、门和内饰等各个部件。航空领域使用的碳复合材料的细节如图2所示。除了燃油效率外，波音公司还指出，碳和其他复合材料不需要太多维护，因为它们不会像金属那样腐蚀或疲劳。碳纤维飞机的利润更高，因为它们需要的维护更少，飞行时间更长。

图2.碳复合材料的应用

复合材料的制备方法有两种：薄膜堆叠法和制造法；根据其机械、物理和化学特性，复合材料可分为不同的类别。对于飞机设计，因为通过使用碳复合材料，我们可以提高飞机的整体效率，减轻重量等。对波音公司来说，最重要的参数是通过有效使用碳复合材料来减轻重量和减少燃料。我们可以将燃油效率提高 10% 至 12%，还可以将重量减轻20%。碳纤维复合材料可用于飞机的外部和内部。例如，在机舱、座椅、货舱门等。由于涉及到各项指标，这个选择过程非常困难且复杂；因此，这个决策过程被称为多标准决策过程 (MCDM)。被实验的复合材料能够在高温下保持其性能，尤其是物理性能，合格的材料需要能维持很长一段时间的热稳定性。

3.1. 波音 787-梦想飞机

波音 787 梦想客机是一款远程商用飞机，此机型广泛使用了碳复合材料。与旧型号相比，每个座位的油耗降低了约 20%。碳复合材料用于波音787 梦想飞机的不同部件，包括机翼、翼杆、机身部分、尾翼等。碳纤维的使用提高了飞机的整体效率，同时也使其更轻。由于燃料消耗低，它可以在更短的时间内运送更多的乘客。继波音 787 梦想飞机采用碳纤维复合材料后，其他航空公司，如 Beech Starship，也开始在其飞机设计中加入碳复合材料。这是一架美国公务机，机翼和机身结构中使用的碳纤维数量约为90%。与之相比，空客 A320‑340 的生产过程中仅使用了超过 15% 的碳复合材料。

3.2.空客 A350-XWB

继波音公司之后，空客也开始在其飞机生产设计中使用碳纤维复合材料。空客 A350 XWB是第二大在制造设计中使用碳复合材料超过 50% 的飞机。2014 年 12 月，卡塔尔航空接收了第一架空客 A350 XWB 飞机。2015 年 1 月，卡塔尔航空成为第一家运营空客 A350 XWB 的航空公司。空客 A320340 是一款欧洲商用飞机。这架飞机在整个生产过程中使用了 15% 的复合材料。尾翼是他们使用碳复合材料制造的结构。

图3.空中客车A350 XWB的结构设计

空客 A350‑XWB（图 3）的 53% 和波音 787 梦想飞机的 50% 使用了复合材料。采用碳纤维增强聚合物基质的飞机设计具有低断裂韧性、低热冲击吸收和高拉伸强度等特性。

3.3. 空中客车A400M

军用飞机空客 A400M也在设计过程中采用了碳复合材料。空客 A400M在设计过程中使用碳复合材料后，将总重量降低到多达 30%。空客 A400M 的多个部件都采用了碳复合材料，包括作为飞机控制面的尾部。当在航空设计中使用碳复合材料时，飞机变得更轻，性能更好。

3.4.空客 A380

碳复合材料也用于空客 A380 的设计。最初，铝是此飞机设计中使用的主要金属。但由于铝是一种重金属，无法与湿度和雨水等外部环境保持良好的平衡，航空业转向使用碳复合材料，从而使飞机更轻。碳复合材料用于空客的各种部件，包括后部压力舱壁、中央翼盒、尾锥和襟翼。碳复合材料因为它们其精确的刚度、高强度重量比、低屈服强度和低刚度，被广泛地用于这一空中客车飞机家族最大的客机机型。

4. 复合材料制造

复合材料制造采用不同的制造工艺。压缩成型、纤维缠绕和树脂传递成型是用于航空航天复合材料的几种工艺。在一种复合材料中添加两种或多种增强聚合物会形成混合复合材料。开放式成型和封闭式成型是生产航空用碳纤维复合材料的两种方法。在成型和精加工过程中，复合纤维会立即从树脂溶液中排出。开放式成型和封闭式成型是生产航空用碳纤维复合材料的两种方法。在成型和精加工过程中，复合纤维会立即从树脂溶液中排出。

图4.采用薄膜堆叠法将热塑性薄膜和增强纤维逐层排列

复合材料由三种不同的材料组合而成。环氧树脂、催化剂硬化剂和天然橡胶颗粒混合。然后将液体倒入模具中，随后用纤维覆盖并重复。该方法广泛采用的是模压成型。碳纤维增强聚合物主要通过液压压机的模压成型工艺生产。复合材料的制备从初始层逐层开始，然后将增强纤维织物和聚合物薄膜逐层放置。这种方法称为薄膜堆叠法，如图4所示。将混合物压入模具并固化两天后，即可得到所需的 CFRP 制造件。制造过程中使用的成分包括环氧树脂、天然橡胶、碳纤维和其他元素。评估碳复合材料的机械性能是制造过程中最有效用的部分之一。各种复合材料制造工艺如图 5 所示。

图 5.复合材料制造

5. 碳复合材料的力学测试及性能

有多个组织已制定了复合材料标准化检查程序。ASTM、ISO 和 CEN（欧洲标准化委员会）是最重要的全球复合材料测试标准。除了全球标准外，还有几个制造商制定特定的标准，例如波音的 BSS 系列和空客的 AITM 系列，在航空界也被广泛使用。ASTM D 3039、EN 2561、EN 2597、ISO 5274 和 ISO 5275 是常用的层压板拉伸测试标准。

5.1. 机械试验类型

碳复合材料制造的大多数机械测试包括压缩、拉伸和其他测试（如弯曲强度和剪切强度）。以下是广泛用于获得各种性能的测试。

5.1.1. 静态评估

静态试验用于测量材料的强度和应变能力。使用拉伸载荷完成此试验。样品的强度和应变能力也通过蠕变试验确定。在不同的短期极限拉伸强度百分比下进行这两项试验的平均百分比范围为1060%。

5.1.2. 循环载荷试验

当样本受到反复的静态应力时，该测试将测量其抗断裂能力。为了减少热量产生，复合材料的测试应用频率应保持在 510Hz 左右。必须采用恒定振幅的拉伸拉伸、拉伸压缩或频谱加载来模拟给定应用中的真实负载条件。制造层压板时，应遵循 ASTM 标准。样本在万能试验机 (UTM) 上进行拉伸测试，从而确定层压板的弯曲和拉伸模量。上述测试是在各种载荷条件下进行的，包括拉伸和压缩载荷，以及存在冲击器时，在拉伸或压缩载荷阶段，在非常规条件下对选定的样本进行冲击。载荷间隔为一百万秒。这些测试在不同的温度和吸湿量下进行。试验机由加载框架、两个横梁（一个旋转，另一个固定）以及将它们分开的伺服液压活塞等部件组成。简单的静态测试使用螺旋驱动仪器进行。这些设备价格合理，操作危险性较低。图 6 显示了不同样本的弯曲强度。

图 6.不同试件的抗弯强度不同

5.2. 机械性能：静态容量

在正常环境下，环氧树脂的静态强度优于铝合金。由于纤维具有脆性，因此复合材料本质上是弹性材料。弹性材料具有在受力后恢复到其先前形状的特性；因此，它们会重新形成结构特性上的载荷。缺口敏感性与纤维模量成正比；随着纤维模量的增加，缺口敏感性增加，局部应力集中度下降。

6.飞机复合材料面临的挑战

碳复合材料在航空航天领域具有很多优点,但也存在很多缺点。在飞机维护和检查方面,航空航天领域的碳复合材料面临以下挑战。

6.1.几乎看不见的损坏(BVD)。

BVD 造成的损坏被描述为几乎无法察觉的损坏。这种损坏肉眼无法看到,因为它位于材料内部,飞行前的检查无法发现它。飞行前检查是飞行前对金属表面的日常检查/检测。

该方法可以判断金属表面是否受损,但无法判断其是否为 BVD 损伤。由于低速撞击不会改变金属表面,因此这种损伤发生在金属表面内部。如果低估了金属表面的损伤,就有发生事故的可能性。

6.2.改变材料的品质。

这是碳复合材料面临的问题之一。环境(例如湿度条件)会影响组成聚合物基质的材料的成分质量,从而导致材料成分特性发生变化。湿度会导致某些金属表面出现裂纹。这些裂纹非常小,肉眼无法看到;因此,它们被归类为 BVD 损伤。

复合材料层压板也很少发生脱层。当飞机达到最大高度时,周围环境的温度会降至冰点以下。由于裂缝的扩大,新的裂缝会出现,这可能会导致致命的飞机事故。

6.3.分层。

当物质破裂成不同的层时,就会发生分层效应。低速跌落冲击试验和碳复合板在 DLR 处投射的气枪试验均模拟高速状态下进行,用于评估分层损伤。当冲击能量最小时,分层是最主要的损伤。子弹的冲击能量越大,纤维损伤越大。分层会增加复合材料板的能量吸收,从而降低总穿透效果。

7.结论

碳复合材料广泛应用于航空、住房、飞机、道路和汽车等领域。航空航天业从复合材料中受益最多。由于碳复合材料的性能,飞机工业最近越来越依靠于复合材料工业。事实证明,航空航天业中的碳复合材料可以节省燃料、时间和能源,同时提高运营效率并减轻飞机重量。它为飞机部件提供了巨大的抗拉强度。另一个重要方面是飞机的燃油经济性。以前,铝是飞机制造的主要基础材料;金属飞机在起飞和运输过程中消耗了更多的燃油；然而,碳复合材料使得制造出的飞机更轻,飞机在起飞和运输过程中燃烧了更少的燃料。人们认为,用碳复合材料制成的飞机是革命性的发明。碳复合材料具有多种用途,因此在未来的几年，碳复合材料将始终是一个具有前瞻性且需求旺盛的行业。

参考资料：

1. Ahmed, O.; Wang, X.; Tran, M. V.; & Ismadi, M. Z. Advancements in fiber-reinforced polymer composite materials damage detection methods: Towards achieving energy-efficient SHM systems. Composites Part B: Engineering, 2021, 223, 109136.

2. Rohan Patole, Nitin Ambhore, Devendra Agrawal, Carbon Composites in Aerospace– A Comprehensive Review, Volume 5, Issue 4, 2023, 2, Materials International

3. Sudhin, A.U.; Remanan, M.; Ajeesh, G.; Jayanarayanan, K. Comparison of properties of carbon fiber reinforced thermoplastic and thermosetting composites for aerospace. Mater. Today: Proc 2020, 24, 453– 462, https:/doi.org/10.1016/j.matpr.2020.04.297

END

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来源：中国复材

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