研究歷程說(shuō)明 :
(1)
飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)是逐步發(fā)展完善的 ,有一系列軍機(jī)型號(hào)應(yīng)用研究和民機(jī)重大研究計(jì)劃取得的成果以及 40年來(lái)使用經(jīng)驗(yàn)的支持。技術(shù)發(fā)展水平現(xiàn)狀以戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用為代表 ;技術(shù)成熟程度以干線客機(jī) (運(yùn)輸類飛機(jī) )上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用為標(biāo)志。
大量移植采用軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)是民機(jī)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的顯著特點(diǎn)之一。
(2)
復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用是循序漸進(jìn)逐步擴(kuò)大的 ,從尾翼到機(jī)翼 ,再到機(jī)身 ;用量也逐步提高從 10 %,20 %～ 30 %提高到波音 787上的 50 %(CFRP占 45 %,GFRP占 5 %)。先進(jìn)軍用飛機(jī)計(jì)劃取得的大量復(fù)合材料使用經(jīng)驗(yàn)起了關(guān)鍵作用。
(3)
民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)性文件 FAA AC202107A在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)使用說(shuō)明民機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞、損傷容限設(shè)計(jì)技術(shù)要求基本沒(méi)有變化。
(4)民機(jī)采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已從結(jié)構(gòu)減重轉(zhuǎn)
在了機(jī)體結(jié)構(gòu)外殼上。因此 ,必須很好地解決復(fù)合材料損傷容限問(wèn)題。 (注 :空客 A380復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要還是用在機(jī)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)件上 )
(5)
大型復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) ,特別是裝配環(huán)節(jié)上的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)取得了突破。因?yàn)閺?fù)合材料不具有延展性。
(6)
工藝制造設(shè)備正逐步進(jìn)行擴(kuò)容、更新 ,以實(shí)現(xiàn)大型、高效、自動(dòng)化。
歐洲對(duì)大型民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也制定了一系列重要研究計(jì)劃 ,如 TAN GO ( Technology Ap2 plication to the Neat2term Goals and Objectives)計(jì)劃和先進(jìn)低成本機(jī)體結(jié)構(gòu)計(jì)劃 (Advanced Low Cost Aircraft Structures , ALCAS)以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重和降低成果。
3 民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材
日本東麗公司 T300碳纖維 (基準(zhǔn)型碳纖維) 1980年達(dá)到波音公司碳纖維材料規(guī)范 BMS928要求。 T300/環(huán)氧 (采用未改進(jìn)胺類固化劑 )復(fù)合材料符合波音公司復(fù)合材料預(yù)浸料標(biāo)準(zhǔn) BMS82256要求 (含復(fù)合材料性能指標(biāo)要求),為民機(jī)結(jié)構(gòu)用第 1代復(fù)合材料 ,用于操縱面和尾翼級(jí)結(jié)構(gòu)。使用經(jīng)驗(yàn)表明 ,第 1代復(fù)合材料呈現(xiàn)脆性材料性能特征 ,層合板對(duì)橫向載荷 (如沖擊載荷 )引起的沿厚度方向的損傷 ,特別是分層損傷敏感。為此 ,開(kāi)發(fā)了增韌環(huán)氧樹(shù)脂基體和改進(jìn)結(jié)構(gòu)損傷容限特性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 ,并提出采用沖擊后壓縮強(qiáng)度 CA I作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
1982年波音公司提出了新的復(fù)合材料預(yù)浸料標(biāo)準(zhǔn) BMS82276 ,概述了主承力結(jié)構(gòu)復(fù)合材料性能目標(biāo) ,如圖 2所示。橫坐標(biāo)為民機(jī)濕 /熱環(huán)境下單向板壓縮強(qiáng)度 ,縱坐標(biāo)為沖擊后壓縮強(qiáng)度 ,右上角即為復(fù)合材料性能期望值。
圖 2 復(fù)合材料耐濕 /熱、沖擊損傷綜合特性示意圖 Fig1 2 Composite humidity/ heat , impact damage characteris2 tic diagram
波音公司提出改進(jìn)碳纖維性能 ,要求碳纖維拉
伸彈性模量提高 30 %、拉伸強(qiáng)度提高 50 %,同時(shí) ,
開(kāi)發(fā)高抗分層能力的韌性樹(shù)脂基體 ,欲將復(fù)合材料
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用應(yīng)變由第 1代復(fù)合材料的 013%～
014%提高到 016%～018%,以使新一代復(fù)合材料
適合民機(jī)主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用。 1985年 NASA發(fā)布
RP1142碳纖維 /熱固型韌性樹(shù)脂復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)
范(第 1個(gè)有權(quán)威的聚合物基復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 )。
1989年中模量、高強(qiáng)度型碳纖維 T800達(dá)到波音公
司碳纖維材料標(biāo)準(zhǔn) BMS9217要求 ,并與同期研發(fā)
的 180℃固化 (使用溫度 80～100 ℃)韌性環(huán)氧樹(shù)
脂構(gòu)成的復(fù)合材料 (如 T800 H/ 390022)達(dá)到波音公
司材料標(biāo)準(zhǔn) BMS82276要求。 T800 H/ 390022復(fù)合
材料在波音 777尾翼蒙皮、桁條、翼梁和地板梁上
得到了應(yīng)用驗(yàn)證。
民機(jī)結(jié)構(gòu)用主要碳纖維特點(diǎn)分析如表 2所
示。值得注意的是 , T800 H/ 390022復(fù)合材料的
壓縮設(shè)計(jì)許用應(yīng)變并沒(méi)有明顯的提高 ,仍在
01 40 %～01 45 %范圍內(nèi)。
表 2 民機(jī)結(jié)構(gòu)用主要碳纖維特點(diǎn)分析[ 12]
Table 2 Main characteristics of carbon fiber of large commercial jet airframe[12]
基準(zhǔn)型碳纖維 中模高強(qiáng)型碳纖維 S型碳纖維
纖維類型 T300 T800 H T800S IM600 T700S
3 K ,6 K ,12 K 6 K ,12 K 24 K 12 K ,24 K 12 K
拉伸彈性模量 / GPa 230 294 294 285 230拉伸強(qiáng)度 /MPa 3530 5490 5880 5790 4900斷裂伸長(zhǎng)率 /% 11 511 921 021 021 1
線密度 / (10 -3g ·m -1) 198 396 800 223 445 1 032 800密度 / (g ·cm3) 1176 11 81 11 80 11 80 11 80直徑 /mm 7 7 557纖維質(zhì)量符合的BMS928 BMS9217 BMS9222
材料標(biāo)準(zhǔn) (自 1980年起 )(自 1989年起 ) BMS9217 BMS92223環(huán)氧預(yù)浸料符合的BMS82256T300 BMS82276 BMS82276材料標(biāo)準(zhǔn) /環(huán)氧 T800 H/增韌環(huán)氧 織物預(yù)浸料典型復(fù)合材料 T300/ 5208 T800 H/ 390022 T800S/增韌環(huán)氧 IM600/增韌環(huán)氧 CAI(67J/cm)/MPa 120～140 320～340T800S/ 390022 IM600/ 97722 設(shè)計(jì)許用應(yīng)變 /% 0130～01 35 01 40～01 45 0140～0145次承力結(jié)構(gòu)主承力結(jié)構(gòu)主承力結(jié)構(gòu)主承力結(jié)構(gòu)次承力構(gòu)件
主要應(yīng)用
B777 B787 A380
B787 ,A380
此后研發(fā)的高強(qiáng)型 (S型)碳纖維 T700S等 ,雖然其復(fù)合材料的拉伸性能有所提高
,但縱橫剪
4 復(fù)合材料機(jī)翼
切、層間剪切性能均比 T300復(fù)合材料有所降低。大型客機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼是在復(fù)合材料尾翼目前 , T700S纖維在大型民機(jī)上以編織物增強(qiáng)材安定面設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上研發(fā)的 ,借鑒了
明顯特點(diǎn)。
波音 787復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用波音 777所用樹(shù)脂基體和 T800碳纖維 ,如 T800S/ 390022等、成熟的熱壓罐固化成形工藝為主 ,積極采用樹(shù)脂膜浸漬成型 (RFI)和樹(shù)脂傳遞模塑 (R TM)工藝等低成本成形工藝。蒙皮采用了先進(jìn)的纖維自動(dòng)鋪放機(jī)進(jìn)行復(fù)合材料預(yù)浸料鋪層。用 T800S取換 T800 H主要考慮兩者性能相同 ( T800S略優(yōu)),均與 390022樹(shù)脂有很好的相融性 , T800S為大絲束纖維 ,生產(chǎn)效率高 ,可提高制件生產(chǎn)效率 ,降低成本。
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