在航空飛機(jī)中，降低燃油燃料消耗提高續(xù)航里程是最為直接直觀需要解決的需求，通過改變機(jī)體結(jié)構(gòu)材料成為了非常好的方案，在整個(gè)的航空飛機(jī)中就涌現(xiàn)了多種復(fù)材替代金屬制品的現(xiàn)狀，那本文我們將解讀關(guān)于航空飛機(jī)材料的演變史以及飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用碳纖維復(fù)材的解讀。
航空飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用的演變史
通過材料的改變從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的輕量化，從鋼到合金再到復(fù)合材料的應(yīng)用，航空飛機(jī)結(jié)構(gòu)走過了漫長(zhǎng)歲月，現(xiàn)如今大批量的民用軍用飛機(jī)上都有了復(fù)材的身影。波音787飛機(jī)機(jī)身到主結(jié)構(gòu)中就應(yīng)用了大量的復(fù)合材料。早在波音777中復(fù)合材料就替代了大量的鋁鎂合金，比如777復(fù)合材料尾翼比767的鋁制尾翼大25%，但所需的計(jì)劃維護(hù)工時(shí)減少了35%。與金屬相比，這種工時(shí)的減少是由于復(fù)合材料降低了腐蝕和疲勞的風(fēng)險(xiǎn)，從而減少了非常規(guī)維護(hù)。
777地板結(jié)構(gòu)全部為復(fù)合材料，突出了這種材料在惡劣環(huán)境中的優(yōu)勢(shì)。航空公司的運(yùn)營(yíng)商意識(shí)到傳統(tǒng)鋁制地板梁在疲勞開裂和腐蝕方面遇到的困難。777機(jī)型已經(jīng)使用了565架飛機(jī)，飛行了10多年，到目前為止，還沒有更換一個(gè)復(fù)合材料地板梁。
為了實(shí)現(xiàn)輕量化，飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)材料經(jīng)歷了以下變遷：
1930年代：鋁合金開始取代布、木、鋼等，作為飛機(jī)的機(jī)體材料使用。此后，隨著鋁合金的高強(qiáng)度發(fā)展，鋁合金成為機(jī)體材料的主流，適用范圍不斷擴(kuò)大。
1940年代：開始開發(fā)具有優(yōu)異比剛度的鎂合金，2010年代批準(zhǔn)用于座位等內(nèi)部裝飾品。但是，目前還沒有完全代替鋁合金。
1940年代后期：作為高強(qiáng)度鋁合金(硬鋁等)的替代品，玻璃纖維增強(qiáng)塑料(Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP)被應(yīng)用于襟翼、舵等二級(jí)結(jié)構(gòu)材料。但是，GFRP與鋁合金相比，雖然比強(qiáng)度高，但比剛度差，因此未被采用為一級(jí)結(jié)構(gòu)材料。
20世紀(jì)50年代：開始研究鈦合金(主要是Ti-6Al-4V合金)的使用。
20世紀(jì)60年代后期：隨著比鋁合金等強(qiáng)度和剛度都高得多的各種先進(jìn)復(fù)合材料的開發(fā)，CFRP一經(jīng)問世便作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料。
20世紀(jì)80年代：CFRP被用于飛機(jī)的二級(jí)結(jié)構(gòu)材料主翼和尾翼的舵(方向舵)和客艙桁架等。
20世紀(jì)80年代后半期：大型的一級(jí)結(jié)構(gòu)材料垂直、水平尾翼穩(wěn)定板和機(jī)身開始使用CFRP。
近年來，口罩影響過后，航空旅客增多，受到環(huán)境限制以及燃料價(jià)格上浮下，對(duì)于飛機(jī)輕量化的需求增強(qiáng)，CFRP材料被更多的應(yīng)用在航空飛機(jī)中，從20世紀(jì)80年代主要應(yīng)用在輔助機(jī)翼和尾翼部件中的機(jī)翼后緣板和舵等部件上，開始向航空飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)以及飛機(jī)內(nèi)部尋找增長(zhǎng)點(diǎn)。這也就有了更高性能的熱塑性碳纖維(CFRTP)材料的應(yīng)用。
航空飛機(jī)中的碳纖維復(fù)材應(yīng)用
在航空航天領(lǐng)域，使用復(fù)合材料的主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：
體重減輕20%-50%；
單殼模壓結(jié)構(gòu)在較低的重量下提供較高的強(qiáng)度；
高抗沖擊性，如芳綸裝甲防護(hù)飛機(jī)減少了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)掛架(承載燃料管線和發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置)的意外損壞；
高熱穩(wěn)定性；
抗疲勞/耐腐蝕；
由復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)件易于組裝。
在美國(guó)波音重心寬體客機(jī)787中，鋁合金占機(jī)體材料重量減少20%，每架飛機(jī)使用30噸以上的纖維復(fù)材，結(jié)構(gòu)重量占比50%以上。主要存在于機(jī)翼、中央翼盒和龍骨梁、尾錐、蒙皮面板、框架、縱梁、倍增器等區(qū)域。
這在同樣的強(qiáng)度下，碳纖維的重量卻為鋼的四分之一，飛機(jī)耗油性能降低2成。預(yù)計(jì)2025年將要交付的大型客機(jī)波音777x中更是采用碳纖維材質(zhì)的折疊機(jī)翼，停機(jī)時(shí)折疊狀態(tài)(翼寬：64.82米)，飛行時(shí)展開(71.75米)，能夠使得飛機(jī)整個(gè)的升力更好，將進(jìn)一步提高飛機(jī)的燃油效率。
在空客350飛機(jī)上也是大量的采用纖維復(fù)材，最新的寬體空客A350XWB上碳纖維復(fù)材占據(jù)整個(gè)機(jī)體53%以上，傳統(tǒng)的金屬材質(zhì)在起落架、塔架等地方應(yīng)用。
航空飛機(jī)的熱塑性碳纖維再次加持
現(xiàn)如今航空飛機(jī)中機(jī)身內(nèi)的復(fù)合材料以及應(yīng)用非常多，眾多的機(jī)型中復(fù)材占比已經(jīng)達(dá)到50%，新型高性能熱塑性碳纖維復(fù)材的出現(xiàn)，讓航空飛機(jī)有了更好的增長(zhǎng)點(diǎn)。
傳統(tǒng)的纖維復(fù)材主要是應(yīng)用在結(jié)構(gòu)件冷段，有了熱塑性碳纖維復(fù)合材料就可以向熱段區(qū)域發(fā)展，比如風(fēng)扇葉片。國(guó)內(nèi)率先完成熱塑性碳纖維智上新材料廠家，已經(jīng)跟多家飛機(jī)制造商對(duì)接，進(jìn)行熱塑性碳纖部件的打樣。
那這種熱塑性碳纖維相比較傳統(tǒng)的熱固性碳纖維帶來更多的高性能，熱塑性碳纖維材料組件完整性能夠更好的保證飛機(jī)減少維護(hù)和停機(jī)時(shí)間，飛行效率更好，這里在跟智上新材負(fù)責(zé)人溝通中了解，生產(chǎn)的CF/PEEK(30%碳纖含量)的熱塑性復(fù)合材料的耐酸堿海鹽的性能更是提升了非常多。這應(yīng)用到航空飛機(jī)中去，在應(yīng)對(duì)噴漆燃料、液壓油、除冰溶液、鹽霧、蒸汽中的使用壽命更長(zhǎng)，并且能夠提供更好的比剛度、比強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度。
包括熱塑性材料的特性，還能縮短零部件生產(chǎn)制造周期，此外這種材料還具備了回收用于其他應(yīng)用的能力，使得產(chǎn)品能夠達(dá)到一個(gè)全新的高度。
相信隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新下，將會(huì)在越來越多的區(qū)域方向中應(yīng)用這樣的高性能的復(fù)材，給到行之有效的解決方案。
