纖維增強復(fù)合材料在航空工業(yè)中的運用

文穎慧

中航工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責任公司

纖維增強復(fù)合材料在航空工業(yè)中的運用

文穎慧

中航工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責任公司

具有先進性的樹脂基增強復(fù)合材料是航空事業(yè)及各大領(lǐng)域中重要的復(fù)合性材料，在我國得到廣泛的應(yīng)用，其對于我國的重要作用被社會所認可。目前，隨著我國航空事業(yè)的發(fā)展日漸強大，復(fù)合材料的重要支持是必不可少的。航空事業(yè)對于材料的要求極為嚴格，需密度更小、剛度更大，以及能夠優(yōu)于其他材料的一種特殊材料，而這種材料的獲取主要是根據(jù)具有高彈性的模量的、高強度的一些材料進行結(jié)合，并運用先進的技術(shù)進行加工獲取到的具有一定特殊性的高性能的材料，這種材料就是目前我國大量應(yīng)用的復(fù)合材料。復(fù)合材料的研發(fā)在我國航空事業(yè)得到了重要的財政支持，發(fā)展空間更為廣闊。

纖維；復(fù)合材料；航空工業(yè)；運用

前言：

目前，樹脂基復(fù)合材料在我國已經(jīng)逐漸成熟，并在軍事上及航空事業(yè)上已經(jīng)取得了較大的成就，其在軍用飛機上的應(yīng)用占主要部分，由于應(yīng)用的時間較早，因此其各個部件已經(jīng)趨于成熟，且應(yīng)用極為廣泛。在軍用飛機上，機身和機翼這兩大部件都應(yīng)用了復(fù)合材料。在以復(fù)合材料為基礎(chǔ)的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料在很早就已經(jīng)得到重視，英國帝國化學公司(ICI)、德國巴斯夫公司(BASF)、美國杜邦公司(DuPont)和氰胺公司(Cyanamid)等開發(fā)了聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亞胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)等多類芳香族熱塑性聚合物。這些廣泛的應(yīng)用及各個國家的重視充分體現(xiàn)了樹脂基增強復(fù)合材料的優(yōu)越性及重要性。經(jīng)實踐總結(jié)，其還具有減重、更強的韌性、損傷容限以及更好的耐溶劑的高品質(zhì)性能。

1 纖維增強復(fù)合材料的特點和性能

纖維增強復(fù)合材料主要是經(jīng)過增強纖維及基體而組成的，纖維增強復(fù)合材料中各個部分的形態(tài)不一，纖維主要是均勻的分散在基體當中，主要作用是增強基體，與基體共同作用于復(fù)合材料。而基體主要是將內(nèi)部的纖維相粘結(jié)，使纖維成為一個統(tǒng)一的整體，但是纖維之間都會有其相對的位置，它們相互之間的相互合作，作用于基體，且保護纖維自身不受到腐蝕及損傷等。纖維增強復(fù)合材料可以根據(jù)其自身纖維的長短進行定義，較長的纖維為連續(xù)纖維增強復(fù)合材料，較短的則為短纖維增強復(fù)合材料；按照性能分的話可以分為高性能增強復(fù)合材料和工程型復(fù)合材料。纖維增強復(fù)合材料中，不僅帶有其自身的特性，還具備一般性材料的特點及優(yōu)勢。

1.1 比強度和比模量高

在一定單位質(zhì)量的強度及模量叫做比強度與比模量。構(gòu)件的強度及剛度是根據(jù)線的尺寸強度的面積而逐漸增加的，但是結(jié)構(gòu)的重量主要是依靠線的尺寸的體積決定的，因此，復(fù)合材料的比強度及比模量高時，構(gòu)件的體積就會變小，同時重量也會隨著減輕，這不僅利于其廣泛的應(yīng)用，還有利于航天部件結(jié)構(gòu)中對于材料重量輕的這一標準，既能夠保證質(zhì)量的前提下減輕重量，又具備高性能，是航天應(yīng)用中重要的優(yōu)勢。其減輕的比重大約在70%左右，價值相當可觀。

1.2 抗疲勞和破損安全性能好

材料在不斷變化載荷的情況下會造成自身疲勞或者破損的情況，在這種情況下，容易產(chǎn)生裂紋，而裂紋又會形成擴展從而造成機身的低應(yīng)力遭到損壞，很容易造成飛機墜毀的事故。使用纖維復(fù)合材料中增強樹脂基復(fù)合材料會彌補這一缺陷，主要是由于樹脂基復(fù)合材料對于缺口及應(yīng)力的進行阻止，在發(fā)生應(yīng)力擴張的情況時，樹脂基復(fù)合材料會對缺口進行阻止，提供高疲勞強度，從而增強對于飛機的保護。同時，纖維復(fù)合材料中，由于基體將纖維進行粘結(jié)，使纖維呈現(xiàn)有韌性的一個整體，因此在材料超負荷的情況下只會造成少量纖維的斷裂，而不會造成負荷下材料損壞的現(xiàn)象。因此可的得出結(jié)論，纖維增強復(fù)合材料是一種能夠抗疲勞和抗損壞的安全性很高的一種材料。

1.3 減振性能好

纖維增強復(fù)合材料是以聚合物為主要材料，基體具有良好的粘彈性。在振動時，基體和界面有裂紋的部分會存在有效的摩擦，這時，摩擦力和粘彈性的作用會將動能轉(zhuǎn)化為熱能。由于纖維增強復(fù)合材料自身的特點，使得它在振動時所產(chǎn)生的自振頻率較高。因此，能夠降低構(gòu)件在工作時產(chǎn)生的振動幅度，纖維與基體界面能夠有效的吸收振動時所產(chǎn)生的能量，這樣能夠很好的降低振動所產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象，從而避免構(gòu)件的傷害。

2 纖維增強復(fù)合材料對航空工業(yè)發(fā)展的意義

航空制造領(lǐng)域?qū)τ趹?yīng)用材料需求的特點一般是要求材料的質(zhì)量較輕，具有較高的強度性能。航空飛行器械結(jié)構(gòu)構(gòu)成十分復(fù)雜的，其中還需要應(yīng)用一些不屬于結(jié)構(gòu)性質(zhì)的高性能材料。例如相應(yīng)的減震、防噪音材料等。纖維增強復(fù)合材料的特點完全能滿足其對材料特性的需求。現(xiàn)代航空工業(yè)上應(yīng)用的纖維增強復(fù)合材料有鋁合金/玻璃纖維混雜復(fù)合材料(Glare)、玻璃纖維增強復(fù)合材料(GFRP)等,還用韌性環(huán)氧樹脂、雙馬來醚亞胺樹脂和聚酚亞胺樹脂基增強復(fù)合材料等,它們覆蓋了航空飛行器機體的主要面積。其中航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最多的是碳纖維增強復(fù)合材料,而玻璃纖維增強復(fù)合材料一般常用于航海船舶領(lǐng)域。因此對航空材料的主要要求是高比強度、抗疲勞、耐高溫、耐腐蝕、長壽命、低成本。纖維增強復(fù)合材料以其典型的輕量特性、獨特的耐燒蝕和隱蔽性、材料性能的可設(shè)計性、制備的靈活性和易加工性等使它成為航空航天工業(yè)中非常理想的材料。

3 纖維增強復(fù)合材料在航空工業(yè)上的應(yīng)用

纖維增強復(fù)合材料首先應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域,如軍用飛機、無人戰(zhàn)斗機及導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星等。纖維增強復(fù)合材料在飛機上的使用部位大致包括：艙門、翼梁、減速板、尾翼結(jié)構(gòu)、前機身、油箱、副油箱、艙內(nèi)壁板、地板、直升機旋翼槳葉、螺旋槳、高壓氣體容器、天線罩、鼻錐、起落架門、整流板、發(fā)動機艙(尤其噴氣式發(fā)動機艙)、外涵道、方向舵、座位與通道板等。

4 結(jié)束語

纖維增強復(fù)合材料在航天上的用途越來越廣泛，其優(yōu)良的性能使其發(fā)展前途及其深遠。纖維增強復(fù)合材料已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的材料的作用，目前，在國家與航天工業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)下，樹脂基增強復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，并為國家航天工業(yè)渠道了巨大的經(jīng)濟效益，我國航天事業(yè)也已經(jīng)逐漸成熟，不僅技術(shù)得到良好的改進，對于復(fù)合材料也進行了專業(yè)的研究、設(shè)計，不斷增強復(fù)合材料的技術(shù)水平，同時也在不斷增加先進儀器及設(shè)備進行試驗，使復(fù)合材料的質(zhì)量標準不斷提高。

[1]馬金瑞,李敏,張佐光.典型碳纖維的表面能差異性研究[J].航空制造技術(shù).2014(11)

[2]文韜,劉逸眾,程黨根.初始裂紋對碳纖維層合板斷裂韌性影響的研究[J].兵器材料科學與工程.2014(04)