高性能纤维复合材料在上世纪60年代处于研究发展阶段,70年代初进入应用阶段,80年代民航飞机的尾翼和机翼等部件都采用了先进的高性能碳纤维复合材料其在结构中所占质量比重达20% ~ 30%。
高性能纤维复合材料在民航飞机结构中的应用分三个阶段:( 1)首先应用于受载荷小.次要的零部件如各类口盖、雷达罩.扰流板等达到良好的减重效果; ( 2)参照前期实践应用情况和实验数据接着应用于承载荷大的部件如垂尾翼、方向舵和机翼等减重效果达25% ~ 30%田;(3)现在高性能碳纤维复合材料已经在复杂的受载部件中应用如机身、机翼翼盒等减重效果显著。
1.高性能纤维复合材料在波音787上的应用
虽然碳纤维复合材料应用于飞机有利于提高其性能,但是波音787仍然保留了20%的铝,15%的钛,10%的钢这是复合材料不耐高温.不耐冲击的特点所决定的。碳纤维本身虽然不怕热但是将其粘结成型的树脂基体却很难耐受高温;尤其是波音787.上普遍使用的环氧树脂类产品-般最大工作温度不高于150摄氏度。F22 由于存在超声
飞机外表会长时间与空气高速摩擦;因此在机翼复合材料上不惜使用韧性更差、更不耐冲击的双马来酰亚胺树脂基体以获得260摄氏度的最大工作温度。波音787的钛、钢结构中就有相当-部分是用于发动机吊架等高温结构。
波音787上的铝合金结构主要承担的则是预防飞鸟撞击的功能以避免复合材料在高能量冲击下直接解体引发灾难性事故。F22的机翼大梁等核心承力结构最初计划使用复合材料但试验证明它抗机炮破坏的能力远远无法达到要求最终又换回了钛合金材料。这源自于复合材料的两个缺陷:首先它一层与一层之间的结合力非常薄弱,而一旦出现分层的情况就会对其整体性能造成严重的破坏。其次用以粘结碳纤维、形成复合材料整体的树脂基体的韧性都很差。
2.高性能纤维复合材料在我国民航飞机上的应用
我国在上世纪70年代初开始在飞机上应用先进碳纤维复合材料先研发了在两种机型的尾翼、前机身应用碳纤维复合材料;1995年成功研发设计带整体油箱的复合材料机翼的战斗机我国上世纪飞机先进碳纤维复合材料用量小超过10%。在21世纪我国相继研发的飞机在复合材料的应用有了大的突破,达20%左右直升机用量在35%左右大型客机C919复合材料.上到尾翼一级部件等。
当今世界上飞机制造大国研制的新型飞机的先进性标志之-就是其结构的先进性如今在波音878.空客A380及C919飞机结构上使用碳纤维复合材料技术是实现飞机结构先进性重要标志.今后-段时间内我国会成为世界上碳纤维复合材料的最大使用国和生产国国内外碳纤维复合材料在航空领域的设计及应用和制造技术的积累为我国航空业飞机结构应用碳纤维复合材料提供了有益的技术支持。