碳纖維復合材料在輕型運動飛機結構中的應用

李群芳

摘要：由于碳纖維復合材料具有重量輕、強度高、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、比模量高以及尺寸穩定等優點被廣泛地運用到了飛機制造業中。當前全世界幾乎有超過50%的大型客機已經采用了這種新型材料，但是將該材料在輕型運動飛機結構中運用還處于初步階段。本文筆者主要從輕型運動飛機的概述入手；探討了當前我國碳纖維復合材料的發展現狀；最后就碳纖維復合材料在輕型運動飛機結構中的應用進行了簡單的探討，希望為相關領域的研究者和工作者提供參考。

關鍵詞：輕型飛機；碳纖維復合材料；應用分析

當前，輕型運動飛機在國外的發展速度較快，但是在我國依然處于剛剛起步的階段。因此在制造過程中如何才能降低輕型飛機的制造成本成為了當前制造輕型運動飛機的關鍵問題。根據西方發達國家制造輕型運動飛機的經驗來看，采用碳纖維復合材料是當前降低輕型運動飛機構造成本的有效途徑之一，因此研究碳纖維復合材料在輕型飛機結構中的應用具有重要意義。

1.輕型運動飛機的概述

輕型飛機顧名思義就是飛機的重量輕、體積小。輕型運動飛機最初在2004年美國聯邦航空局按照民航提案的相關要求新推出的一個飛機種類。該類飛機滿足以下要求：①最大起飛重量為600kg（陸地起降型）_—650kg（水上起降型）；②最大平分空速不能大于222km/h；③失速速度要低于83km/h；④既可以單座也可以是雙座；⑤裝配有不可收放式起落架；⑥螺旋槳可以采用固定槳距也可以采用地面可調槳距；⑦配備的驅動裝置一般是發動機或者活塞發動機1]。

2.當前我國碳纖維復合材料的發展現狀分析

當前工業上使用的碳纖維主要是以聚丙烯腈、人造絲或者是木質作為原料，并將有機纖維和塑料樹脂進行結合在高溫的作用下經過碳化最終形成的，但是其制取方法不能直接使用碳和石墨。根據相關資料顯示：當前全世界的碳纖維產能共計約為3.5萬噸，然而中國市場每年的需求量約為6500噸，由此可以看出我國是一個碳纖維消費大國。但是我國不管是在碳纖維的制造水平上還是在碳纖維的應用技術上都跟國外先進技術還存在的很大的差距。在2007年，我國的碳纖維的產量僅僅在200噸左右，并且絕大部分都被運用到了低性能的產品上，究其主要原因是目前我國企業依然還沒有掌握碳纖維相關的核心技術，從而導致了我國的碳纖維在質量上、生產技術上以及生產規模上都跟西方國家還有很大差距，很大部分高性能的增強材料都是通過進口的方式來獲得，并且通常成本都較高。缺乏創新與集成和對應用領域的擴展不足，在很大程度上制約著我國碳纖維復合材料工業的不斷發展。在充分意識到當前我國的高性能碳纖維復合材料還遠遠不能滿足我國經濟的快速、健康和可持續發展的需要后，相關部門制定各項措施組織實施高性能纖維復合材料高技術產業化專項項目，主要是重點支持我國高性能碳纖維復合材料的生產技術發展，從而滿足我國當前經濟發展以及航空產業的不斷發展。

3.碳纖維復合材料在輕型運動飛機結構中的應用

當前，碳纖維復合材料因為自身獨特、卓越的性能特點被廣泛運用在航空領域，特別是在飛機制造業中運用廣泛。根據相關資料顯示：當前碳纖維復合材料在直升飛機和小型飛機中使用已經達到了70%—80%，然而在輕型運動飛機中的應用還不到5%主要在以下兩個方面：

3.1碳纖維樹脂基復合材料在輕型運動飛機結構中的應用

由于碳纖維增強樹脂基復合材料具有質量輕等突出優點，且該材料對重量、疲勞特性以及剛度方面的要求相對嚴格，在溫度高、化學穩定性高的環境下更適合使用。當前碳纖維增強樹脂基復合材料已經成為武器裝備的主要生產材料。當前美國軍用飛機的AV—8B改型“鷂”式飛機很多結構都采用了這種復合材料，其中飛機的機翼、機前身等部位都使用的是石墨環氧大型部件，從整個飛機的結構來看，使用碳纖維材料幾乎達到了整個飛機重量的26%，從而不僅減輕了飛機的機重，還提高了飛機的有效荷載比。據顯示：如果將飛機的前身段構造采用碳纖維復合材料跟金屬結構相比質量最少減輕30%左右。當前隨著對碳纖維復合性材料的研究逐漸深入，該材料逐漸被運用到微型飛機的結構設計中，很多國外輕型運動飛機和無人駕駛飛機已經基本上實現了結構的復合材料化。例如：將輕型運動飛機大約25%重量的部件采用復合材料，其中幾乎約22%就是采用碳纖維增強塑料。因為該種材料具有減輕重量和不容易出現疲勞或者被腐蝕等性能，能夠有效降低輕型運動飛機的油耗和排放。跟直接競爭機型相比，輕型運動飛機的燃油經濟性要低13%左右，有效降低了輕型飛機構造的成本[2]。

3.2碳/碳復合材料輕型運動飛機結構中的應用

碳/碳復合材料主要指的是將碳纖維以及碳纖維制品作為增強材料的復合型材料。由于碳/碳復合材料的組成元素只有碳元素一種，所以碳/碳復合材料具有碳和石墨材料共同的優點，如：碳/碳復合材料的密度較低、導熱性能好，也就是碳/碳復合材料擁有高的熱導率和低熱膨脹系數，從而能夠有效承受很高的溫度和較大的加熱速率，能夠有效的對抗熱沖擊，就算在溫度高和超高的環境中也不能改變碳/碳復合材料的高強度、模量以及高化學的性質。碳/碳復合材料憑借自身質量輕、難以融化的優點，被廣泛地運用到了航空航天事業中。例如：在輕型飛機軌道的鼻錐和機翼的前緣部分就采用的是碳/碳復合材料。除此之外，當前還將碳/碳復合材料這種材料用于輕型飛機的剎車片，由這種材料制成的剎車片不僅質量輕、摩擦系數穩定、抗熱沖擊性好，還具有可設計強、操作方便以及使用壽命長等優點，除此之外，碳/碳復合材料也可以被運用到輕型飛機中一些發熱元件、緊固件、渦輪發動機的葉片以及內燃機活塞等等。

3.3總結

綜上所述，我國在發展碳纖維復合材料做出了不懈努力，并且經過多年的不懈努力，所取得的成效和進步也是巨大的，雖然當前碳纖維復合型材料應用在輕型運動飛機中還處于初步的階段，在一些制造工藝和制造技術上還有待進一步完善，但是筆者相信，只要我們堅持不懈，一定會開拓出碳纖維復合材料運用的新天地。

參考文獻：

[1]楊乃賓，章怡寧.復合材料飛機結構設計[J].航空工業出版社，2002（11）： 67-80.

[2]燕瑛，任成明.行器復合材料結構設計制造與分析技術的發展[J].航空制造技術，2007（12）：64-67.