碳纤维复合材料在飞机结构上的应用

宋兴龙

摘 要：本文首先介绍了碳纤维复合材料的优势，以及在飞机结构上应用的必要性，之后阐述了碳纤维复合材料在飞机上应用的相关要求。

关键词：碳纤维复合材料；飞机结构；必要性；应用要求

作为一种纤维状的碳素材料，碳纤维的含碳量超过90%，与其他性能较高的纤维材料进行比较，碳纤维复合材料的力学特征更为优异。而飞机和航天飞机的结构，要求具有高强度质量比和高刚度质量比的结构，是典型的对总质量敏感的结构，而碳纤维复合材料正是由于具有的良好性能，因此时飞机制造业中最为理想的材料，在飞机制造业当中得到了非常广泛的应用。此外，伴随当前飞机性能的越来越高的要求，在航空领域当中复合材料的应用更是发展迅猛。

1 碳纤维复合材料的优势以及在飞机结构上应用的必要性

在20世纪60年代中期，党以碳纤维作为增强体的先进复合材料一出现，就于70年代被在飞机结构上应用。和金属材料进行比较，先进的碳纤维复合材料主要选取的是石墨、碳、芳纶以及硼作为纤维，而其中的碳纤维更是采用的人造丝、聚丙烯睛以及石油沥青等有机物的热解而制作的。通常来看，假如此类纤维的弹性模量出现了增大的现象，那样其抗拉强度就会降低。由于碳纤维是先进加强件上应用最为通用的纤维材料，所以受大了航天飞机的青睐，应用的最为广泛。应用先进复合材料，不论是对飞机结构的轻质化，还是模块化方面都具有非常关键的作用。随着复合材料设计和制造技术的不断发展和成熟，先进复合材料在军、民用飞机上的用量也在不断扩大。复合材料用量的剧增，带动了复合材料产业的专业化和规模化发展，使先进复合材料正逐渐的成为更为稳定和成熟的航空材料。目前，复合材料已经和铝、钢、钦共同成了航空结构的4大材料。

因为复合材料具有较高的比刚度和比强度等优异特性，因此在飞机结构上得到了越来越广泛的应用。从当前我国新研制的飞机来看，不仅可以在垂尾、水平安定面以及副翼等结构上采用复合材料，同时在机翼翼盒和机身等主结构上也可以采用复合材料，使得结构一体化程度高，系统安装较为简单，减少零部件数，缩短总装时间。复合材料非比寻常的物理特性和可设计性，以及近年来生产成本的降低，加速了飞行器结构选材从金属材料向复合材料转变的进程。另外，复合材料的应用具有可使飞机结构减重10%～40%、结构设计成本降低15%～30%的优势。面对较高的燃油价格和越来越严格的污染物排放标准，复合材料能使飞机减重的优点，就显得特别的重要。

2 碳纤维复合材料在飞机上应用的相关要求

2.1 碳纤维复合材料的结构设计方面的要求

碳纤维复合材料拥有自身特殊的性能特征，因此在设计碳纤维复合材料的结构时，要充分考虑其破坏机理，不要只是对金属的结构的设计方法照抄照搬，这样所设计出的碳纤维复合材料在性能上就可能不如金属材料。因此，为使飞机结构上碳纤维复合材料的应用能够更好发使其具有的优势发挥出来，进而设计出成本低性能优的复合材料。而为了可以使碳纤维复合材料的设计技术更加的有效，就要强化碳纤维复合材料设计人才的培养，从而促进碳纤维复合材料研结构设计水平的提升。

2.2 碳纤维复合材料抗冲击性能方面的要求

碳纤维复合材料应是否可以更好的应用在飞机结构上，冲击损伤是其中最为重要的影响。一般会将CAI@6.7Jhmn作為对碳纤维复合材料抗冲击性能进行评定的技术指标，然而在实际上，在飞机结构上应用碳纤维复合材料，要对中厚蒙皮使用的损伤容限性能，以及对薄蒙皮与薄面板夹层结构使用的损伤阻抗性能两个方面都要进行考虑。对于飞机上的不同部位来说，应该使用力学性能不同的碳纤维复合材料，所以对碳纤维复合材料的性能指标进行评定时就需要对各个指标参数进行综合评定。

2.3 碳纤维复合材料在飞机结构使用上的限制范围

碳纤维复合材料以其优良的力学性能够使飞机的结构质量得以有效降低，同时也使得善飞机的结构性能得以改善。随着航空航天领域的不断发展，碳纤维复合材料在军用民用飞机上的应用比例会更加的提高。然而就当前来看，碳纤维复合材料的价格仍然很高，因此在民用客机上，碳纤维复合材料的应用比例还较低，因此在对复合材料进行应用的过程中依然应该对价格/性能比进行考虑。当前，碳纤维复合材料占结构总量的1/4，而从原材料的工艺水平以及价格方面来看，短期内民用飞机的碳纤维用量适合控制在这个比例范围之内。

2.4 碳纤维复合材料成本控制方面的要求

要在飞机结构上更为广泛的应用碳纤维复合材料，对其应用的成本进行有效的控制十分的关键。从成本控制来看，可以通过两个方面来实现，分别是降低碳纤维和复合材料的制备成本以及成型技术的成本两个方面。复合材料在制备的过程中碳纤维、碳布、预浸料和基体树脂等原材料都能够从预算上进行控制，然而需要注意的是不可以利用对价格的牺牲来换取成本的降低，而是要从生产规模、技术方案以及技术路线等方面进行控制。同时，还应该对复合材料制备新技术不断的进行优化，从而达到生产周期缩短、生产效率提高、废品减少、质量提高的目的。

3 结语

碳纤维复合材料的力学性能十分的优异，和其他性能较高的纤维材料进行比较，都具有最高比的模量和强度，即使是在超高温的状态下碳纤维的强度也不会因此而下降，故而在飞机制造业中得到了广泛的应用，然而因为其技术所具有的限制，导致目前在飞机结构上还无法完全的对该种材料进行应用，所以仍要进一步的对其进行探讨和研究。

参考文献

[1]沈真.碳纤维复合材料在飞机结构中的应用[J].高科技纤维与应用，2010，35（4）：1-4.

[2]刘锐.碳纤维复合材料在飞机结构中的应用[J].科研，2016，（7）：00102.

[3]彭书杰，陈付奎，孙晗，等.碳纤维复合材料与飞机结构[J].工程技术：文摘版，2016，（6）：273.

（作者单位：沈阳飞机工业（集团）有限公司）