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制造民機的復合材料

時間:2020年12月21日   來源:《大飛機》雜志
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  熟悉航空業的人都知道,波音787和空客A350所用復合材料占飛機結構重量的比例分別達到50%、53%。這里的復合材料主要是碳纖維增強樹脂,或者叫樹脂基碳纖維復合材料。很顯然,它由兩部分組成:增強材料碳纖維和基體材料基材樹脂。

 

  碳纖維

  碳纖維是由聚丙烯腈纖維(PAN)經過氧化–碳化–表面處理–上漿–成卷而成,直徑約5?10微米(0.005?0.010毫米),長度可達5700多米。這里的聚丙烯腈纖維,是專門用來制造碳纖維的,又叫原絲或前體。一般情況下,兩份原絲生產一份碳纖維。

  一根絲束中包含的碳纖維數量用“K”表示,1K=1000根。飛機結構使用最多的是12K、24K。24K以下的絲束,叫“小絲束”。

  用一般市場購買的價格低廉的聚丙烯腈纖維生產出來的碳纖維在48K以上,這種碳纖維叫“大絲束”碳纖維。

  在1315℃碳化的纖維,含有93%到95%的碳元素。拉伸模量為225GPa?327GPa,東麗公司用“T”表示。T后面的數字,表示強度。數字越大,強度越高。此類纖維歸類為中模量碳纖維,用于制造飛機結構件復合材料中的增強體,如,T300、T400、T700、T800、T1000、T1100等。

  在1900℃到2480℃的溫度下石墨化的纖維,含有99%以上的碳元素,拉伸模量為300GPa?700GPa。東麗公司用M表示,如,M35、M40、M50、M60、M70等。數字越大,模量越高。此類纖維歸類為高模量碳纖維,多用于制造航天飛船、衛星上要求耐溫差、不變形、高精度零件。

  制造碳纖維的原材料還有人造絲、瀝青以及生物基的富碳原絲,如木質素或生物基PAN。目前用這些原材料制造出的碳纖維,還不能用來制造飛機結構件。

  基材樹脂

  基材樹脂是以一種樹脂為基礎,加入固化劑、催化劑、增塑劑和一些特殊功能顆粒組成的高分子混合物。基材樹脂中的基礎樹脂,分熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩大類。熱固性樹脂有環氧樹脂(EP)、雙馬來酰亞胺(BMI)、酚醛樹脂(PH)、氰酸酯(CE)、聚酰亞胺(PI)等。熱塑性樹脂有聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚酰胺(nylon,PA-6,PA-12)、聚碳酸酯(PC)等。

  基材樹脂是復合材料中最復雜,又變化多端的高分子化學材料。針對結構零件不同的使用要求、不同的制造工藝、不同生產廠家生產的碳纖維,基材樹脂需要量身定制。

  例如:波音787的機身、機翼蒙皮使用東麗公司的碳纖維和該公司的環氧樹脂基材3900-2B,而其球面框用蘇威公司的碳纖維和該公司的環氧樹脂基材977,其機翼后緣、活動面使用赫氏公司的碳纖維和該公司的環氧樹脂基材8552。

  上述列舉的3900-2B、977、8552基材樹脂,雖然都以環氧樹脂為主,但其他成分都是商業秘密。外界知道的是,固化劑的添加比例很高,環氧樹脂與固化劑的比例通常為 2‥1到1‥1。固化劑(B部分)與基礎樹脂(A部分)在加成反應中按固定比例共反應。

  因此,正確的樹脂與固化劑的配比是保證反應完全的關鍵。否則,樹脂既不能完全固化,也不能達到其全部性能。固化劑的類型影響固化后樹脂的性能,并進而影響復合材料零件的最終性能。

 

  材料供應狀態

 

 

  樹脂基碳纖維復合材料的命名,是將所用的碳纖維和基礎樹脂的商品名稱同時列出,并在兩者之間加“/”分開。由于使用復合材料制造零件的工藝不同,復合材料的供應狀態也不同(見表)。

  表中的基材樹脂均是熱固性環氧樹脂基,它是液態的。當加入固化劑后需要在-18℃環境下運輸、保存。

  波音787和空客A350使用的復合材料有以下5種狀態:

  1.預浸平紋布。用T800S(或IMA)碳纖維織成平紋布,再浸漬基材樹脂,在浸漬布的一面加隔離布,成卷供應給客戶。預浸平紋布用于制造長桁和機身框。

  2.預浸單向帶。用T800S(或IMA)碳纖維織成300毫米、150毫米、75毫米寬的單向帶,浸漬基材樹脂而制成。單向帶含有10%的緯紗。787機翼和A350-900機翼壁板蒙皮用它制造。

  3.預浸無捻紗帶。用T800S(或IMA)碳纖維不加捻的絲束,拉直、壓平,形成3.2毫米、6.4毫米、12.7毫米的窄帶,再用“固態”浸漬工藝,將基材樹脂加入其中而制成。在窄帶的一面加隔離布,成卷供應給客戶。紗帶的寬度、厚度均有嚴格的公差要求。浸漬樹脂要均勻,樹脂含量不超過35%。787、A350機身蒙皮、A350-1000機翼蒙皮和梁是用它制造的。波音777X機翼蒙皮用38.1毫米的寬帶制造,梁用窄帶制造。

  4.干無卷曲織物(NCF)。由多層碳纖維紡織物縫合在一起制成。最常用的無卷曲織物是雙軸、三軸和三軸織物,其中纖維束是直的,具有不同方向(0度、45度、90度)以提供多向性能。

  5.干無捻紗帶。用IMS65碳纖維不加捻的絲束,拉直、壓平,形成3.2毫米、6.4毫米、12.7毫米的窄帶。帶的兩面包覆Cycom7720熱塑性樹脂薄膜。熱塑薄膜保護碳纖維不擦傷,防止紗帶分裂。

  基材樹脂與碳纖維結合,實際是基材樹脂與碳纖維表面的漿料結合。結合的程度又直接影響制成零件的強度。漿料是各廠家的商業秘密。不同生產碳纖維的廠家,所用的漿料不同,因此需要碳纖維與基材樹脂配套供應。

 

  兩種樹脂基碳纖維復合材料

  目前常用的碳纖維復合材料有熱固性環氧樹脂基碳纖維復合材料和熱塑性碳纖維復合材料兩種。熱固性環氧樹脂基碳纖維復合材料,東麗公司已經研制出T1100G/3960。其中T1100G拉伸強度7000MPa,拉伸模量324GPa。3960不需要在熱壓罐中固化。它既可以用于預浸料,又可用于樹脂轉移成型(RTM)。

  使用熱固性樹脂基復合材料存在以下主要問題:

  1.制造787、A350機身、機翼零件所用的熱壓罐,罐體龐大,建造和使用的費用很高。固化工序得8?10小時。

  2.預浸料(半固化片)庫存期短,一般不超過6個月。運輸、保管要在-18℃環境中進行。

  3.壓縮強度低,不適合制造承受剪切應力大的零件,如機翼翼肋(787、A350、A220、MC-21等機型的翼肋都是用鋁合金制造的)。

  4.在飛機制造中,除了蒙皮與長桁連接不用鉚釘外,其它零件的連接還得用鉚釘。

  5.回收、再利用困難。

  熱塑性碳纖維復合材料,恰好彌補了上述熱固性復合材料的缺點。熱塑性復合材料中的碳纖維供應狀態沒有變化,主要是得益于有了新的壓縮性能好的樹脂,如聚醚酮酮;各種新的、先進的塑料焊接工藝和設備,能適應飛機結構的特點、能在自動生產線上使用。從目前報道中可以看出,正在研發的新型號民機,其機體中熱塑性復合材料用量將大大超過50%。

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