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复合材料在大型民机的应用进展

供稿人:张耘  供稿时间:2009-12-24   关键字:复合材料  大型民机  应用  
 
复合材料(纤维增强聚合物基复合材料)在大型民机机体结构上的大量应用是现代大型民机的显著特点之一,复合材料用量占机体结构重量的百分比从空客A380的22% (另有GLARE材料占3%)到波音787的50%(见图1),再到在研的空客A350XWB68的52%。这标志着,复合材料已成为现代大型民机首要结构材料,结束了以铝合金为主的机体结构选材时代。复合材料以其性能可设计性、结构成型与材料形成的同时性、对环境因素(温度、湿度、冲击等)的敏感性和破坏模式的多样性,形成了“设计是主导、材料是基础、制造是关键、检修是保证、目的是应用”的对于各方关系的25字描述。
图1:波音787结构材料分布图
资料来源:波音公司
 
(1)研发模式全球化
两大民用飞机制造商认识到全球化研发模式的积极作用。波音公司研制的787机型所使用的复合材料就采用了全球化研制模式的理念,其成功之处在于充分利用了全球6大一级航空结构供应商的财力、智力,与此同时,通过一级供应商充分利用了世界4大碳纤维原料供应商的资源。空中客车公司,由于A380的延期交付,吸取波音公司的经验,开始采用全球化的研发模式。以波音787机型为例,该飞机大部分复合材料结构件材料,采用了日本东丽公司的3900系列高强度碳纤维增强环氧树脂预浸渍材料。美国赫克塞尔复合材料公司生产的以真空辅助树脂模塑工艺成型的碳纤维材料,运用于飞机的副翼、襟副翼等部件。EADS生产了787的整体后加压隔框,采用了基特克工业公司提供的一种树脂熔渗系统制造的材料,这个用于隔开加压的47段和48尾段的复合材料加压隔框件相比常规的铝加压隔框,总量减少了363千克,而安装APU的48段机身框架则采用了基特克公司的树脂膜熔渗技术制造的材料。
(2)应用范围广泛
大型民用客机应用复合材料的范围正在逐步加大。以空客A380为例(见图2),A380是空中客车第一次大范围在大型民用运输机上应用复合材料的飞机。在空中客车公司,A310是第一次在襟翼盒上应用复合材料的飞机;A320是投产的第一架全复合材料尾翼飞机;A340飞机的机翼的13%重量是复合材料;而A340/500-600则采用了碳纤维增强塑料龙骨梁。而A380飞机是空中客车第一次将碳纤维增强塑料(CFRP)应用于中央翼盒的飞机,这种结构与铝合金相比减重1.5吨。A380上的中央翼盒重8.8吨,其中5.3吨是复合材料。另外在A340-600飞机上还有襟翼翼盒、方向舵以及水平安定面和升降舵的整体复合材料设计经验。A380飞机的CFRP水平尾翼与A310飞机的悬壁式机翼相近,而在中央翼盒上采用了合理的自动铺带技术。此外,上地板梁和后压力隔框也采用了CFRP材料。A380机翼固定前缘为热塑性复合材料,能够减重并节约成本。这项技术已经在A340-600飞机上验证,改善了损伤容限和可检测性,进一步的应用还在研究中,例如应用于机身的次承力支架系统。
图2:空客A380复合材料应用分布图
资料来源:空客公司
 
(3)材料性能不断提升
碳纤维增强树脂基复合材料是目前在大型客机应用得最多的结构材料品种。其性能水平的提高可从预浸带的发展来说明,以环氧为基础的碳纤维复合材料目前已发展到第三代。它们以T800S/3900和T800/M21为代表, 其冲击后压缩强度(CAI)达到3l5~345兆帕, 堪称首屈一指。T800S/3900是波音777上用的T800H/3900-2的改型, 但成本更低。T800S的拉伸强度比T800H高出390兆帕, 广泛用于波音787的机翼及机身主承力结构。T800H/3900-2则主要用作波音777的水平尾翼。另外,IM7/8552第二代增韧环氧复合材料用于波音787的起落架也是一种创新。T700的新品种T700S以织物预浸料形式用于波音787的次承力结构。在波音787的高温部位可能还应用了IM7/5250-4双马预浸带。波音787的窗框及短舱当然也还采用了AS4/8552预浸带。英国ACG开发成功的非热压罐固化预浸带MTM44-1,已获准用于空客飞机的结构件,性能相当于热压罐固化水平,另外MTM45-1、MTM46-1及MVR44也正在鉴定之中。除性能大幅提高外,复合材料原材料的成本显著降低也是其广泛应用的原因之一,目前其价格已经低到120~190美元/千克。
玻璃纤维增强铝合金层合板材料(GLARE)的性能优势得到充分利用。GLARE材料的应用成为A380机型的一大亮点。该材料由欧洲发明,由铝箔和单向性玻璃纤维曾交叠,通过浸渍环氧黏合剂叠接而成,具有出色的抗裂纹、抗腐蚀和防火能力,从而消除了许多铆钉孔及由此引发的应力集中。A380采用了占飞机总重约3%的GLARE,主要用于制造上机身壁板,可减少机身蒙皮壁板纵向连接点。

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