为什么要用碳纤维来造飞机?

材料十 2020-02-29 16:20:12



【材料+】说:


碳纤维用量的多少,是衡量一个飞机结构设计是否先进的重要尺度,不仅欧美的先进战斗机和客机大量采用了碳纤维(图1),我国自主研发生产的大飞机也大量采用了碳纤维。那么,为什么要用碳纤维来造飞机呢?除了造飞机之外,碳纤维与我们的生活还有哪些关系?

碳纤维,顾名思义,是一种由碳元素组成的纤维材料(图2),其碳含量在90%以上,直径只有5-7微米,大约是成年人头发丝直径的十分之一。碳纤维的生产,目前最主要的方法是以腈纶为主要原料的碳纤维制造工艺,其中包括复杂的预氧化、碳化、包浆和定量收卷等工艺过程。撇开技术成本不谈,碳纤维生产的原料成本是很低的,主要成本是工艺成本。

目前,在全世界范围内,碳纤维的生产质量和产能,仍然以日本为首。从上世纪90年代开始,因军品生产需要,我国开始自主研发碳纤维生产技术,近二十年来,我国陆续上马了很多碳纤维生产线。但是,到目前为止,国内的这些生产线尚不能生产出满足高端装备需要的高品质碳纤维。高端装备制造所需要的碳纤维目前还需要进口,但是这种高端碳纤维的进口受到了日美等西方国家的高度制约。高品质碳纤维生产技术,是国内企业亟待解决的难题。

 一个有意义的事实是,目前国内大量的低端碳纤维生产线所制造的碳纤维,会造成低端碳纤维价格的大幅下降,使得很多相对低端的民用产品大量应用碳纤维成为可能。


图2  碳纤维


图3  大量采用碳纤维的机身结构

碳纤维有很多优点,突出重要的是超高的比强度和比刚度,要比钢和铝等传统材料高出很多很多。也就是说用碳纤维做的东西会非常轻,同时呢,受到很大的外力时也不会破坏或变形。在飞机设计行业,设计师的一个重要工作原则是为减轻每一克重量而奋斗,同时还要保证结构具有超高的力学性能,因此,碳纤维就成了飞机设计师的首选材料(图3)。

除了轻质高强的特点之外,碳纤维还具有很多的其他优点,包括超高耐热性、导电性能良好、热膨胀系数小、耐腐蚀、可采用纺织工艺加工,等等。针对这些不同的优异性能,而且随着碳纤维生产技术和产能的逐步提高,碳纤维在各行各业的应用日益广泛。比如汽车零件、运动器材、风电叶片、建筑加固材料、机械手臂以及海洋设施等等,都大量采用了碳纤维复合材料。这些产品和我们的生活都是息息相关的(图4)。



图4碳纤维汽车和碳纤维自行车

那么,是不是直接使用碳纤维就可以制造各种各样的产品了呢?答案是否定的。碳纤维的主要使用方法,是形成复合材料,也就是以碳纤维为增强材料,再加上起重要辅助作用的基体,从而形成碳纤维复合材料,这才是制造各种碳纤维制品的真正材料。碳纤维和基体加在一起,可以发挥出一加一远远大于二的效果,碳纤维的优越性能才可以有效发挥出来,这正是复合材料的奇妙之处。没有基体的参与,增强纤维并不能形成任何有效的产品。这个基体可以是树脂、金属或者陶瓷等等,比较常见的碳纤维复合材料是以树脂为基体的树脂基碳纤维复合材料,这个树脂的种类也很多,可以是环氧树脂、尼龙或者其他可以用作复合材料基体的任何树脂。

有了碳纤维做增强材料,再加上某种合适的树脂(比如环氧树脂)做基体,就可以制造各种碳纤维制品了。当然,采用碳纤维复合材料制造各种产品的工艺也是多种多样的,这里简单介绍一下制造飞机零件的预浸料工艺:

1.把连续的碳纤维和树脂按一定比例混合在一起形成预浸料,这个预浸料可以是连续的单丝,也可以是由连续单丝织成的纤维布(图5)。


图5  碳纤维预浸料

2.把上述的预浸布按要求裁减后,一层一层地铺贴在模具表面,形成碳纤维零件的湿“毛胚”;在这个阶段,也可以把连续的预浸料单丝通过自动铺丝的方法形成整段机身的湿“毛胚”。这个自动铺丝技术,也是我们比日美落后很多的一个重要环节。

3.在“毛胚”上覆盖吸胶毡和真空袋等辅助物品并抽真空,排除“毛胚”中多余的空气和树脂并压紧铺层,此时的“毛胚”外形与产品基本一致,只是尚未固化。

4.将“毛胚”连同模具一起放入热压罐(图6),按一定的参数加温加压,使得“毛胚”中的树脂充分固化。


图6  碳纤维零件毛胚在热压罐中固化

5.将充分固化的“毛胚”从模具上取下,去除多余的飞边和毛刺,就得到了最终的飞机零件。这个零部件可以是一个比较小的骨架,也可以是一个很大的机翼或者机身。

碳纤维是新材料领域的宠儿,发展优质高端的碳纤维产业,而不是低水平的一哄而上,对我们的国防民生都具有十分重大的意义。

孟凡颢,中国复合材料学会理事;广州阿旺斯复合材料技术有限公司总经理、高级工程师。主要研究领域为纤维增强树脂基复合材料结构的设计、分析与制造技术,曾先后在沈阳飞机设计研究所和清华大学航天航空学院从事飞行器复合材料结构设计研究,后转入香港科技大学复合材料技术研究中心主要从事复合材料在民用领域的应用技术研究。作为广东省和广州市科技专家,多次参与相关重大项目的评审工作。目前主要从事复合材料在汽车结构上的应用工作,以及复合材料产品在其他民用领域的研发与应用。

来源:中国复合材料学会。


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