碳纤维复合材料在大飞机上的应用
By www.cfrp.com.cn
碳纤维复合材料(CFRP)有质量轻等一系列优异性能，在飞机制造业中已得到广泛应用。首先是在战斗机上的用量与日俱增。例如，美国战机超级“大黄蜂”(F／A-18E／F)CFRP用量约为19％，法国战机“阵风”用量约为24％．英国战机“台风”(EP2000)用量约为40％。直升飞机也大量采用 CFRP。例如，由哈尔滨飞机制造厂生产的直-9型直升飞机，武装了驻港部队和参加了2007年上海合作组织在俄罗斯的反恐军演，是我国先进的直升飞机。该机复合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生产的“OH-1忍者”直升飞机，机身的40％是用CFRP，桨叶等也用CFRP制造。
市场需求是碳纤维发展的驱动力。1981年，波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维，促进了商性能碳纤维的研发步伐。1984年，日本东丽公司率先研制成功T800；1986年，又研发成T1000。随后，日本东邦、三菱人造丝公司和美国Hexcel公司相继研制出同类高性能碳纤维，为制造大飞机提供了新型复合材料。从此，CFRP在大飞机上的用量直线上升，同时也促进了碳纤维工业的发展和先进复合材料技术的日趋完善。
1 高强中模碳纤维和韧性基体树脂
通用级T300碳纤维其CFRP可用来制造飞机的二次结构部件。例如，T300／5208用来制造B757、 B767和B777的二次结构部件。但因T300的抗拉强度仅为3．53 GPa，抗拉模量为231 GPa，特别是断后延长仅有1．5％，满足不了制造一次结构件的要求。随后开发成功的高强中模型(Intermediate Modulus)碳纤维在上述3项质量指标有了大幅度提高，在配套韧性环氧树脂所制高性能CFRP就可用来制造大飞机的一次结构件。表1列出了高强中模碳纤维的主要品牌及性能。
由表1列出的数据可知，这类高强中模碳纤维的性能比通用级T300有了大幅度提高。我国目前还不能生产这类高性能碳纤维，处于实验室研制阶段，有望在“十一五”期间有所突破。
通用型环氧树脂固化后属于脆性材料，需增韧改性为韧性基体树脂。高强中模碳纤维与韧性基体树脂复合后所制韧性CFRP可用来制造大飞机的一次和二次结构件。其中，具有代表性的是T800H／3900-2(P2302)和IM7／8551-7。图1是制造韧性 CFRP的工艺流程示意图，图2是韧性P2302层压板的截面图。热固性树脂(TS)为母相，热塑性树脂(TP)为分散相，两者均匀混合固化成型。在热固化成型过程中，TS成为三维交联体，TP仍保持线性特性，赋予CFRP韧性。这样可制得韧性CFRP。 T800H／3900-2(P2302)是典型的用来制造大飞机一次和二次结构件的韧性复合材料。所以，除了提高碳纤维性能外，增韧改性基体树脂仍是国内外研究的热点课题之一。
2 韧性CFRP在大飞机上应用需关注的技术关键
随着碳纤维性能的不断提高，增韧改性基体树脂的不断深入和复合技术的日趋完善，韧性 CFRP在大飞机上的应用逐步拓宽。未来500～600座的大飞机将成为航空客运的主力机型。为此，应关注以下几个技术课题和解决对策：
(1)设计允许应变达到0．6％，可用冲击后抗压缩强度(CAI)来评价。这就需用高强度、大伸长碳纤维与韧性基体树脂来复合。例如，T800H／3900-2或IMT／8551-7的韧性预浸料，可达到上述指标。而T300 CFRP的设计允许应变仅为0．3％～0．4％，满足不了设计要求。
2）提高抗CFRP的抗冲击强度，需采用高强度、大伸长碳纤维。例如，T700S断后延长高达2.1%（表1）。上浆剂中可含有热塑性塑料微粒，提高其韧性。
3）提高冲击损伤后的抗压缩强度（CAI），需采用高强度、大伸长碳纤维与韧性环氧树脂复合。控制碳纤维石墨微晶尺寸，也可提高抗压缩强度。同时，研究韧性耐热的热塑性树脂，作为新一代韧性基体树脂。
（4）提高抗层间剪切强度（ILSS），改善两相界面粘接强度，有效传递载荷。同时，采用三维编织物和RTM成型技术，也可有效提高ILSS和防止层间剥落现象。
（5）提高CFRP的耐热性，以适应超音速飞行。除提高基体树脂的耐热性外，也应关注碳纤维表面上浆剂的湿热性能。吸湿会降底CFRP性能。
（6）采用整体成型的先进复合技术来制造大型构件，如体翼一次成型技术。这不仅提高整体复合件的性能，而且可大幅度减少零件数目和紧固件数目，有利于降低生产成本。
（7）损伤的检测和大面积无损探伤是安全飞行的保证。采用多种灵敏传感器和检测器监控飞机的各项质量指标，做到万无一失和安全飞行。
碳纤维复合材料(CFRP)有质量轻等一系列优异性能，在飞机制造业中已得到广泛应用。首先是在战斗机上的用量与日俱增。例如，美国战机超级“大黄蜂”(F／A-18E／F)CFRP用量约为19％，法国战机“阵风”用量约为24％．英国战机“台风”(EP2000)用量约为40％。直升飞机也大量采用 CFRP。例如，由哈尔滨飞机制造厂生产的直-9型直升飞机，武装了驻港部队和参加了2007年上海合作组织在俄罗斯的反恐军演，是我国先进的直升飞机。该机复合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生产的“OH-1忍者”直升飞机，机身的40％是用CFRP，桨叶等也用CFRP制造。
市场需求是碳纤维发展的驱动力。1981年，波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维，促进了商性能碳纤维的研发步伐。1984年，日本东丽公司率先研制成功T800；1986年，又研发成T1000。随后，日本东邦、三菱人造丝公司和美国Hexcel公司相继研制出同类高性能碳纤维，为制造大飞机提供了新型复合材料。从此，CFRP在大飞机上的用量直线上升，同时也促进了碳纤维工业的发展和先进复合材料技术的日趋完善。
1 高强中模碳纤维和韧性基体树脂
通用级T300碳纤维其CFRP可用来制造飞机的二次结构部件。例如，T300／5208用来制造B757、 B767和B777的二次结构部件。但因T300的抗拉强度仅为3．53 GPa，抗拉模量为231 GPa，特别是断后延长仅有1．5％，满足不了制造一次结构件的要求。随后开发成功的高强中模型(Intermediate Modulus)碳纤维在上述3项质量指标有了大幅度提高，在配套韧性环氧树脂所制高性能CFRP就可用来制造大飞机的一次结构件。表1列出了高强中模碳纤维的主要品牌及性能。
由表1列出的数据可知，这类高强中模碳纤维的性能比通用级T300有了大幅度提高。我国目前还不能生产这类高性能碳纤维，处于实验室研制阶段，有望在“十一五”期间有所突破。
通用型环氧树脂固化后属于脆性材料，需增韧改性为韧性基体树脂。高强中模碳纤维与韧性基体树脂复合后所制韧性CFRP可用来制造大飞机的一次和二次结构件。其中，具有代表性的是T800H／3900-2(P2302)和IM7／8551-7。图1是制造韧性 CFRP的工艺流程示意图，图2是韧性P2302层压板的截面图。热固性树脂(TS)为母相，热塑性树脂(TP)为分散相，两者均匀混合固化成型。在热固化成型过程中，TS成为三维交联体，TP仍保持线性特性，赋予CFRP韧性。这样可制得韧性CFRP。 T800H／3900-2(P2302)是典型的用来制造大飞机一次和二次结构件的韧性复合材料。所以，除了提高碳纤维性能外，增韧改性基体树脂仍是国内外研究的热点课题之一。
2 韧性CFRP在大飞机上应用需关注的技术关键
随着碳纤维性能的不断提高，增韧改性基体树脂的不断深入和复合技术的日趋完善，韧性 CFRP在大飞机上的应用逐步拓宽。未来500～600座的大飞机将成为航空客运的主力机型。为此，应关注以下几个技术课题和解决对策：
(1)设计允许应变达到0．6％，可用冲击后抗压缩强度(CAI)来评价。这就需用高强度、大伸长碳纤维与韧性基体树脂来复合。例如，T800H／3900-2或IMT／8551-7的韧性预浸料，可达到上述指标。而T300 CFRP的设计允许应变仅为0．3％～0．4％，满足不了设计要求。
2）提高抗CFRP的抗冲击强度，需采用高强度、大伸长碳纤维。例如，T700S断后延长高达2.1%（表1）。上浆剂中可含有热塑性塑料微粒，提高其韧性。
3）提高冲击损伤后的抗压缩强度（CAI），需采用高强度、大伸长碳纤维与韧性环氧树脂复合。控制碳纤维石墨微晶尺寸，也可提高抗压缩强度。同时，研究韧性耐热的热塑性树脂，作为新一代韧性基体树脂。
（4）提高抗层间剪切强度（ILSS），改善两相界面粘接强度，有效传递载荷。同时，采用三维编织物和RTM成型技术，也可有效提高ILSS和防止层间剥落现象。
（5）提高CFRP的耐热性，以适应超音速飞行。除提高基体树脂的耐热性外，也应关注碳纤维表面上浆剂的湿热性能。吸湿会降底CFRP性能。
（6）采用整体成型的先进复合技术来制造大型构件，如体翼一次成型技术。这不仅提高整体复合件的性能，而且可大幅度减少零件数目和紧固件数目，有利于降低生产成本。
（7）损伤的检测和大面积无损探伤是安全飞行的保证。采用多种灵敏传感器和检测器监控飞机的各项质量指标，做到万无一失和安全飞行。
