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碳纤维复合材料(CFRP)有质量轻等一系列优异性能,在飞机制造业中已得到广泛应用。首先是在战斗机上的用量与日俱增。例如,美国战机超级“大黄蜂”(F/A-18E/F)CFRP用量约为19%,法国战机“阵风”用量约为24%.英国战机“台风”(EP2000)用量约为40%。直升飞机也大量采用 CFRP。例如,由哈尔滨飞机制造厂生产的直-9型直升飞机,武装了驻港部队和参加了2007年上海合作组织在俄罗斯的反恐军演,是我国先进的直升飞机。该机复合材料用量已占到60%左右,主要是CFRP。此外,日本生产的“OH-1忍者”直升飞机,机身的40%是用CFRP,桨叶等也用CFRP制造。
市场需求是碳纤维发展的驱动力。1981年,波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维,促进了商性能碳纤维的研发步伐。1984年,日本东丽公司率先研制成功T800;1986年,又研发成T1000。随后,日本东邦、三菱人造丝公司和美国Hexcel公司相继研制出同类高性能碳纤维,为制造大飞机提供了新型复合材料。从此,CFRP在大飞机上的用量直线上升,同时也促进了碳纤维工业的发展和先进复合材料技术的日趋完善。
1 高强中模碳纤维和韧性基体树脂
通用级T300碳纤维其CFRP可用来制造飞机的二次结构部件。例如,T300/5208用来制造B757、 B767和B777的二次结构部件。但因T300的抗拉强度仅为3.53 GPa,抗拉模量为231 GPa,特别是断后延长仅有1.5%,满足不了制造一次结构件的要求。随后开发成功的高强中模型(Intermediate Modulus)碳纤维在上述3项质量指标有了大幅度提高,在配套韧性环氧树脂所制高性能CFRP就可用来制造大飞机的一次结构件。表1列出了高强中模碳纤维的主要品牌及性能。

由表1列出的数据可知,这类高强中模碳纤维的性能比通用级T300有了大幅度提高。我国目前还不能生产这类高性能碳纤维,处于实验室研制阶段,有望在“十一五”期间有所突破。
通用型环氧树脂固化后属于脆性材料,需增韧改性为韧性基体树脂。高强中模碳纤维与韧性基体树脂复合后所制韧性CFRP可用来制造大飞机的一次和二次结构件。其中,具有代表性的是T800H/3900-2(P2302)和IM7/8551-7。图1是制造韧性 CFRP的工艺流程示意图,图2是韧性P2302层压板的截面图。热固性树脂(TS)为母相,热塑性树脂(TP)为分散相,两者均匀混合固化成型。在热固化成型过程中,TS成为三维交联体,TP仍保持线性特性,赋予CFRP韧性。这样可制得韧性CFRP。 T800H/3900-2(P2302)是典型的用来制造大飞机一次和二次结构件的韧性复合材料。所以,除了提高碳纤维性能外,增韧改性基体树脂仍是国内外研究的热点课题之一。


2 韧性CFRP在大飞机上应用需关注的技术关键
随着碳纤维性能的不断提高,增韧改性基体树脂的不断深入和复合技术的日趋完善,韧性 CFRP在大飞机上的应用逐步拓宽。未来500~600座的大飞机将成为航空客运的主力机型。为此,应关注以下几个技术课题和解决对策:
(1)设计允许应变达到0.6%,可用冲击后抗压缩强度(CAI)来评价。这就需用高强度、大伸长碳纤维与韧性基体树脂来复合。例如,T800H/3900-2或IMT/8551-7的韧性预浸料,可达到上述指标。而T300 CFRP的设计允许应变仅为0.3%~0.4%,满足不了设计要求。

2)提高抗CFRP的抗冲击强度,需采用高强度、大伸长碳纤维。例如,T700S断后延长高达2.1%(表1)。上浆剂中可含有热塑性塑料微粒,提高其韧性。

3)提高冲击损伤后的抗压缩强度(CAI),需采用高强度、大伸长碳纤维与韧性环氧树脂复合。控制碳纤维石墨微晶尺寸,也可提高抗压缩强度。同时,研究韧性耐热的热塑性树脂,作为新一代韧性基体树脂。

(4)提高抗层间剪切强度(ILSS),改善两相界面粘接强度,有效传递载荷。同时,采用三维编织物和RTM成型技术,也可有效提高ILSS和防止层间剥落现象。

(5)提高CFRP的耐热性,以适应超音速飞行。除提高基体树脂的耐热性外,也应关注碳纤维表面上浆剂的湿热性能。吸湿会降底CFRP性能。

(6)采用整体成型的先进复合技术来制造大型构件,如体翼一次成型技术。这不仅提高整体复合件的性能,而且可大幅度减少零件数目和紧固件数目,有利于降低生产成本。

(7)损伤的检测和大面积无损探伤是安全飞行的保证。采用多种灵敏传感器和检测器监控飞机的各项质量指标,做到万无一失和安全飞行。