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图文解说高性能碳纤维在航空领域的应用
发布日期:2019-11-06  来源:中科院宁波材料所特种纤维事业部  浏览次数:352
 
  1 碳纤维在飞机结构中应用
 
  飞机结构分为主要结构(primary structure,又称初级结构)和辅助结构(secondary structure,又称次级结构)两大类。其中初级结构包含重要结构和其它主要结构。重要结构指传递飞行、地面或者增压载荷的关键结构件或者关键结构组件,结构件一旦失效,将导致飞机灾难性事故。
 
  次级结构仅传递局部气动载荷或者自身质量力载荷的结构,结构失效不影响结构持续适航性/飞行安全。大多数次级结构主要作用为保证飞机气动外形、降低飞行。飞机主要结构和辅助结构主要结构如图1所示。
 
 

图1 飞机初级、次级结构主要组成
 
  碳纤维在飞机结构件中首先是作为次级结构件应用,而且一般用量也不高,后续碳纤维性能稳定和提升,开始逐渐用于航空飞机的初级结构,碳纤维在飞机中初级、次级结构应用实例分别如图2、图3所示。
 

图2 碳纤维在飞机初级结构中应用


 
图3 碳纤维在飞机次级结构中应用
 
  2 碳纤维复合材料在飞机领域用量
 
  碳纤维复合材料在军机应用比例逐渐增加(图4),如欧洲台风战机碳纤维复合材料用量已占总重50%左右。碳纤维复合材料在军机应用转折点发生于上世纪70、80年代,由美国原麦道公司(现波音/Boeing)研发的F/A-18系列战机。
 
  1976年原麦道公司率先研制了F/A-18的复合材料机翼,碳纤维复合材料的用量首次超过10%,后续通过进一步采用自动铺丝技术为FA-18E/F制造CFRP的12块机身蒙皮,10块进气管蒙皮,4块水平尾翼蒙皮,碳纤维复合材料用量也突破20%。目前国外军机上碳纤维复合材料用量约占机重20%~50%。
 
 

图4 碳纤维复合材料在军机中用量
 
  目前碳纤维复合材料在波音787和空客A350商业民用飞机中用量也达到50%及以上(图5)。在波音B787飞机中,碳纤维复合材料已广泛应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位。波音787是全球首个同时采用碳纤维复合材料机翼和机身的大型商用客机。
 


图5 碳纤维复合材料在民机中用量
 
  碳纤维复合材料在军机、民机中应用研究均始于上世纪70年代(图6),在上世纪90年代军机中碳纤维复合材料应用比例大幅度增加后,国外主要公司开始考虑在商用飞机中逐渐增加碳纤维复合材料用量。2000年前后军机中碳纤维复合材料用量接近30-40%,此时商用飞机中碳纤维复合材料用量仍在10%上下徘徊。
 
 

图6 碳纤维复合材料在军机、民机中应用发展
 
  3 碳纤维在民用飞机应用发展史
 
  美国波音和欧洲空客作为全球领先的两大商用民机生产商,关于碳纤维复合材料在民机应用开展了大量研究和实际应用,美国波音飞机中碳纤维复合材料应用发展可以参读公众号前期文章《东丽碳纤维在航空领域的应用》。本期则主要介绍欧洲空客飞机碳纤维复合材料应用发展史。
 
  自上世纪70年代,欧洲空客飞机便开始碳纤维复合材料应用研究,如当时A300飞机在天线罩、整流罩等结构件中首次采用了碳纤维复合材料,随后几十年,空客飞机不断增加飞机中碳纤维复合材料用量,目前碳纤维复合材料可用于飞机主机翼、机身等结构件加工。
 
 

图7 碳纤维复合材料在欧洲空客飞机中应用
 
  经过数十年研发,目前欧洲空客飞机用碳纤维复合材料成型加工及应用技术日臻成熟,以图8空客A380飞机为例,其后机身所有蒙皮壁板19段,22%的机身重量是碳纤维复合材料,尤其中央翼盒,总重8.8吨,碳纤维复合材料用了5.5吨,比金属材料减重达1.5吨,其燃料经济性相当可观。
 


图8 空客A380飞机中碳纤维复合材料结构件
 
  
 
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