碳纤维复合材料在国内航空业中的应用进展

碳纤维复合材料在国内航空业中的应用进展

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碳纤维复合材料在国内航空业中的应用进展

碳纤维复合材料在国内航空业中的应用进展

将碳纤维复合材料应用于非承载力结构,如舱门、前缘、口盖、整流罩等尺寸较小的部件以及大量内饰部分,国内外的相关技术水平差距并不大,在这一方面碳纤维复合材料也具有大规模普及的能力及空间。在舵面、翼面等次承力结构件上,如机头罩、方向舵、垂尾壁板、机翼外翼、阻力板、整流壁板等部位中碳纤维复合材料的应用技术也已逐步成熟,不过要实现大规模应用还有待于时日。但是在机翼、机身等受力大、结构复杂、外形公差要求高的主承力结构中,国内的碳纤维复合材料应用技术还难以成“气候”,无论是工艺水平还是经济成本都无法适应大规模的飞机制造需求,更无法与欧美等发达国家或地区的相关技术相抗衡。国内航空领域对碳纤维应用还需面对以下问题:整体成型工艺不成熟 目前的碳纤维飞机零部件主要采用热压罐工艺,这种工艺比较适宜于制造尺寸较小、结构简单的零部件,但对于尺寸较大、结构复杂的整体成型零部件,生产模具的设计与制造则很难满足相应的水平要求。国内也很重视这方面的尝试和研究,早在2012年,中航工业西飞公司就曾向中国商用飞机有限责任公司(简称中国商飞)交付了C919大型客机中央翼、襟翼及运动机构部段,这是C919大型客机七大部段中难度最大、工作量最大的两个部分。这两个部段尺寸大、结构复杂、外形公差要求高,尤其是国内民机最长尺寸、长达15米的襟翼缘条加工,技术难度非常大。西飞突破了复合材料大型成型模具设计制造技术、复合材料构件预装配变形控制技术等多项技术难关,整个研制过程全部采用先进的三维数字化设计、传递与制造,中央翼部段除1号肋是金属件外,全部采用了先进的中模高强碳纤维/增韧环氧树脂复合材料制造,这也是国内首次在固定翼飞机最重要的主承力结构件上使用碳纤维复合材料。 但是在实际的生产应用中,大体积整体成型的碳纤维复合材料制件还无法做到在主承载力结构中的大规模化应用,例如,在大面积的机身壁板中,仍然需要通过机械加工将分成多块的小型壁板拼接而成。囿于整体成型技术的应用水平,目前的大体积碳纤维机体零部件的出品批次质量不稳定,废品率高,从而使整体成本上升,严重影响到碳纤维复合材料在需求量最高的商用飞机中的应用程度。自动铺丝技术尚未普及 自动铺丝技术是在纤维缠绕和自动铺带技术的基础上发展起来的一种先进复合材料成型技术,对降低碳纤维复合材料构件制造成本,提高生产效率和构件性能方面具有极大的作用。 与一般的碳纤维复合材料成型技术相比,自动铺丝技术可以实现每一根丝束的独立夹紧、切断和重送,甚至是每个丝束都能有各自的铺放速度,并根据构件形状自动切纱以适应边界,减小废料率,并通过局部加厚、加筋、开口铺层补强等方式满足多种设计要求,适应大曲率复杂构件的自动化成型,特别适合带窗口的机身段、机翼大梁及带凹凸面的翼面铺放。 但是国内在该方面的技术起步很晚,南京航空航天大学在“九五”期间才开始率先调研该项目,后来,哈尔滨工业大学、武汉理工大学、北京航空制造工程研究所等才陆续着手该技术的相关研究。 而国外在该技术方面起步较早,美国在上世纪70年代就开始了自动铺丝技术的研究,经过几十年的发展,该技术在美国和欧洲的航空工业中得到了成熟和广泛的应用,例如波音B787“梦想”飞机在机身、机翼、垂尾、平尾、地板梁、后承压框等部位中大量使用了碳纤维复合材料,其中机身高达23%部分的碳纤维复合材料就是采用自动铺料技术完成的。 目前国内的高性能、复杂曲面的碳纤维复合材料构件基本上仍以手工铺叠为主,自动铺丝技术只在大飞机项目中的极少部位如碳纤维复合材料翼梁中得到使用,至于自动铺放设备的研制和实际应用基本上还还处于刚起步的阶段,这种状况极大地制约了碳纤维复合材料结构件在航空领域的大规模应用。应用功效受全局优化的制约 整个飞机的设计相当的复杂,从系统工程的角度说,当多个系统和设备组合在一起时,必然会产生相互的影响和干涉,而机体特殊的运行环境,更是放大了这种影响和干涉的程度。因此,独立评价中碳纤维复合材料的轻量化效果虽然明显,但是碳纤维复合材料零部件在飞机中的使用不是简单的替换,这种轻量化的结果必须是建立在整体优化的基础之上的,经过整体优化后的碳纤维复合材料的轻量化效果就会受到打折。因为,任何一个微小零部件形状或者重量的改变都会对整个飞机的力矩平衡和多项参数造成影响,所有配重都有可能需要推翻重来。所以,碳纤维复合材料的实际应用必须从整体布局开始,在对飞机的系统方案和设计参数进行设计时,就要充分考虑到碳纤维复合材料的特殊性能及应用优劣势,从而对各种设计要求进行合理的折中与调整,将各系统之间的不利因素降到最小,只有置身于整体优化中,碳纤维复合材料的轻量化才能发挥出最大的功效。 虽然在航空飞机中规模化应用碳纤维复合材料对于国内业界来说是任重道远,特别是要面对一些不可回避的技术难题,如在需要耐受高温的部件中考虑到碳纤维复合材料在高温下承受内部压力和抗氧化的能力,或是为符合空气力学特性,尽可能地减少结构的不连续性,尽量使用整体成型结构的碳纤维复合材料等等,虽然国内的碳纤维复合材料在飞机制造中的应用技术与国外发达国家相距甚远,但是没有尝试就没有机会,没有前进就没有成功,科学的进步与发展不在于起步的早晚,更在于倾注努力的多少。在“中国制造2025”的号召下,我们要将碳纤维复合材料的轻量化作用化作推进中国航空飞机事业的技术动力之一。

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