碳纤维增强热塑性复合材料在航空领域的应用及其发展

碳纤维增强热塑性复合材料在航空领域

的应用及其发展摘要：本文介绍了碳纤维增强热塑性复合材料在航空领域的应用，阐述了其特点，最后总结了未来纤维增强热塑性复合材料的发展趋势。关键词：碳纤维；热塑性复合材料；发展趋势引言目前，世界各国在航空飞行器市场上的竞争越来越激烈，航空领域复合材料的应用对飞机减重、耐腐蚀性能和降低成本方面起到重要的作用。由于环境污染和资源回收问题引发了全球的重视，已经得到广泛应用的碳纤维热固性树脂复合材料遭到了一定程度的冲击。此时韧性、耐湿、耐腐蚀性好、可问收性、具有电磁屏蔽能力、在恶劣环境具有稳定性、耐久性的碳纤维热塑性复合材料得到了各国的关注。碳纤维增强热塑性树脂复合材料(CFRTP)是以热塑性树脂为基体、以碳纤维为增强体而制成的复合材料。碳纤维是一种含碳量在90%以上且具有高强度、高比模量、低密度、耐高温、耐化学腐蚀、低电阻、高导热、耐辐射以及优良阻尼减震降噪等性能的纤维材料⑴热塑性树脂可分为高性能树脂和通用树脂，常见的高性能树脂有聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫酰(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)等。1碳纤维增强热塑性复合材料在航空领域的应用1.1国外应用现状洛克希德•马丁公司生产的C-130运输机中许多结构采用了纤维增强热塑性复合材料。起落架舱门使用的是碳纤维增强聚醚醚酮（C/PEEK）高性能热塑性复合材料，C/PEEK复合材料的韧性好，可以有效防止沙石等颗粒物的冲击损伤S。西科斯基公司生产的CH-53K直升机货厢地板采用的材料为C/PEEK，并使用了电磁感应熔焊技术，增加了飞机的有效载重和容量［4］。空客公司一直是先进材料应用方面的领军者，并已经成功地将PPS树脂基热塑性复合材料应用在了一些结构简单、尺寸较小的肋、梁等飞机的简单零件上，其中A350XWB机身就采用了很多热塑性复合材料支架和加强角片等W］。随着高性能热塑性复合材料的材料性能、成形工艺，以及装配技术的提高，已被逐步应用在空客飞机的次承力结构件上，如A340/500,A380固定翼前缘的结构中采用了C/PPS热塑性复合材料［5］。空客A400M运输机的驾驶舱地板和复合材料机身防冰板分别使用了碳纤维/PPS、玻纤/PPS材料。其中驾驶舱地板尺寸为3.05mX3.06m，是目前最大的碳纤维热塑性航空结构件之一。热塑性复合材料也被应用在了飞机承力结构件上。福克航空公司湾流G550飞机的压力舱壁板是由一系列使用压力成形的C/PEI热塑性复合材料制造的加强肋组成冏。湾流G650商务客机方向舵和升降舵采用的是C/PPS热塑性复合材料，其结构为感应焊接多肋扭力盒结构，省去了钻孔和铆接的工序，既减轻了飞机的重量又降低了成本，与传统材料（金属、轻质合金）相比，减轻了20%的重量［口。热塑性复合材料还被用于飞机内部结构，其中波音公司将纤维增强热塑性复合材料用于座椅框，其材料为C/PPS，厚度为0.5-2.5mm，其成形周期5min，与铝质座椅框相比减少了20%重量，每个座椅节省燃料1000美元［8］。1.2国内应用现状近几年，为了赶上国际航空技术的发展，我国在民用航空和军用航空领域取得了令人瞩目的成就。目前，民用航空以C919中型客机为代表，与空客A320系列和波音737作为竞争对象。C919在雷达罩、翼身整流罩、机翼前后缘、后机身、尾翼等主承力和次承力结构上均使用了复合材料，达到全机结构总质量的11.5%0。在C919的基础上，我国又研制了CR929远程宽体客机，对标波音787和空客A350，预期其复合材料使用量达到50%。目前CR929的机身壁板工艺件己试制成功［10］。2纤维增强热塑性复合材料的特点：与碳纤维热固性树脂基复合材料相比，碳纤维热塑性树脂基复合材料具有以下特点［11-12］:1.具有较高的抗冲击韧性和耐疲劳损伤性能。热塑性复合材料以韧性良好的线形高分子聚合物为基体材料，使得其具有优异的抗冲击性能和抗损伤性能。2.具有成型周期短、生产效率高的特性。热塑性复合材料的加工过程是一个加热熔融变形、冷却固化的物理过程，成形周期一般只需几分钟⑵。3.该纤维预浸料没必要在低温下存放，且材料存储条件要求低。在通常条件下，热塑性树脂一般不会产生化学反应，因此对存储条件无限制，使得存储费用低。4.热塑性复合材料可重复加工成形，废品和边角余料能问收利用。3热塑性复合材料发展方向热塑性复合材料的发展方向主要集中在以下几个方面：低成本成型技术发展方向。通过采用合理的复合工艺，提高材料性能与制备效率，进而降低制品生产成本；整体成型技术发展方向。通过合理的结构设计和模具设计实现大型复合材料结构的整体化成型。自动化制造技术发展方向。主要是发展自动铺放、新型拉挤、缠绕等自动化技术，提高生产效率和质量，从而满足大型复合材料结构件在生产方面的需求。智能化制造技术发展方向。结合目前先进的数字化技术，发展设计与制造一体化的生产技术。着力发展制造工艺方面的仿真技术，实现虚拟制造，从而优化制造工艺。结束语近些年来，碳纤维增强热塑性复合材料在民用和军用领域已经得到了十分广泛的应用。目前，建立和优化大型高性能复杂结构件的成型工艺已成为西方发达国家的研究重点，我国在这方面的研究与发达国家相比还存在着差距，特别是在航空航天、武器制造等高精尖领域，这也成为制约我国在高性能碳纤维增强热塑性复合材料领域发展的重要原因，是未来亟待解决的重要技术问题。参考文献杨建校，等.高科技纤维与应用，2016,41