碳纤维复合材料在飞机结构中的应用初探

杨扬 冯立男

摘要：随着科学技术水平的提高，材料制造技术也不断发展，通过不同的材料进行融合创造出很多性能优良的复合材料，其中碳纤维复合材料就是其中的代表。碳纤维复合材料，具有强度大、耐高温、稳定性好、重量轻等特点，并且还能屏蔽电磁，非常适用于航空航天器材的制造。本文通过对碳纤维复合材料的优点进行分析并初步说明其在飞机结构中的使用方法，希望对航空航天材料的选择提供借鉴。

关键词：碳纤维复合材料;飞机结构;运用

引言：复合材料是把一种较为稳定的材料作为基体，使用另外一种或者几种材料对机体进行组合形成的新的材料。各种材料形成优势互补，使复合材料的性能能满足各种不同的需求。由于复合材料功能强大，且造价并不昂贵逐渐被人们重视，特别是对于航空航天工业来说，复合材料是制造航天器材的不二之选，发展前景广阔[2]。

一、碳纤维材料的优点

复合材料是有几种性能良好的材料通过一定工序合成的新型材料通常具备多种优越的性能，适用于很多领域。碳纤维复合材料和一般金属相比具有耐高温、安全性强、可塑性强、强度大重量轻、减震性能好、抗疲劳性能好等优势。

（一）耐高温性能优越

复合材料通常具有非常好的耐高温性能，碳纤维复合材料具有一般复合材料的特点，导热率非常小耐高温性能优良，非常适用于航天器材制造能有效减少空气摩擦产生热量对航空器的影响。

（二）结构稳定，安全性强

在碳纤维复合材料的基体中，有成千上万根独立的纤维。当碳纤维材料制成的构件超载导致少量纤维断裂时，载荷会分配传递到其他未被破坏的纤维上，所以碳纤维复合材料制成的构建不会在短时间内失去承载能力，可以为构件的修复准备时间。

（三）易塑性

碳纤维材料具有非常好的可塑性，在使用其他金属材料制造构件时需要高温融化后进行浇筑，而碳纤维复合材料可以进行塑形后固化，使构建的制造更加容易，消耗更小。

（四）比钢度大且重量轻

材料的强度除以密度称为比强度，材料的刚度除以密度称为比刚度。这两种数据是衡量材料承载能力的重要标准。碳纤维复合材料的比强度和比刚度较之普通的合金具有非常明显的优势，并且强度和刚度大。强度大、重量轻是非常好的航天材料。

（五）减震性能好

碳纤维复合材料中纤维和基体界面的阻尼较大，因此具有较好的抗震性，而抗震性能是飞机等航空器在飞行过程中所必须具备的性能，只有具备良好的抗震性，才能减少气流对机体的影响，使航天器材能够平稳飞行。此外，良好的抗震性能还可以用于桥梁建设，减少桥梁震动的衰减时间使桥梁更加耐用。

（六）抗疲劳性能好

碳纤维材料的抗疲劳性能优于一般的金属，一般金属的疲劳强度为抗拉强度的40～50%，而复合材料可以达到70～80%甚至更高。并且，复合材料在疲劳断裂时，是从机体开始的然后逐渐向纤维和基体界面上扩展，不会发生突然断裂的情况。因此，复合材料在破坏前会有征兆，可以对其进行修补。碳纤维材料也有较好的抗声震疲劳性能，可用于飞机螺旋桨的制造，而且使用寿命更长。

二、碳纤维复合材料在飞机结构中的应用原则

飞机作为目前世界上最快的交通工具，具有非常大的优势，飞机航行只对天气状况有要求。因为在空中飞行不会发生交通事故，如果机身或者动力系统出现问题，那么飞机将很难获救，所以飞机既是最安全的交通工具也是最危险的交通工具。飞机起飞前都会对动力系统进行检修，所以一般情况下动力系统不会出现故障;而飞机因为速度很快在空中需要承受非常大的压力和气流的托力，因此制造飞机的材料必须要强度大且重量相对要小，此外还要具备经济性和实用性。

（一）安全性

安全性是飞机制造首先要考虑的因素，也是复合材料考虑的因素。碳纤维复合材料在强度、和耐疲劳性能上都优于之前的飞机制造材料，且碳纤维复合材料已经能够用于制造火箭、航天卫星、导弹等飞行危险性更大的器材，所以能够满足飞机所需要的安全性能。并且，材料的安全性能和制造技术的成熟度有着密切的关系，而当前的碳纤维材料生产技术已经相当成熟，所以碳纤维复合材料制成的飞机组件安全性能能够有保障。

（二）经济性

对于航空公司来说，飞机的运行成本不仅仅是购买飞机时的价格，还需要计算飞机的油耗、维修成本、和使用寿命等问题，而使用碳纖维复合材料建造飞机的主体，那么成本不会很高，而且由于材料性能较好，所以使用年限相对较长、材料比重轻，飞机航行所消耗的油料也相对较少，所以使用碳纤维复合材料制造飞机，更加经济。

（三）实用性

对于乘客来说，飞机的舒适性也是比较重要的，通常飞机由于自重问题而不能设计的过于宽大，否则不仅油耗大而且航行所需动力大。但是利用复合材料制造而成的超宽体A350科技，由于其机身使用的复合材料占整个飞机的一般重量，相对于其他客机客舱更宽、并且还能为乘客提供休息仓受到了很多人的欢迎。

所以，把复合材料应用到飞机结构中会产生很大的经济优势，并且符合飞机制造选用材料的原则。

三、航空复合材料的发展

由于复合材料用途广泛、性能优越、且成本不高利润丰厚，所以逐渐被越来越多的国家所重视，当前，复合材料工业已经进入了高速发展阶段。特别是在航空领域，复合材料的应用更加深入，飞机上的航空复合材料占比越来越高。而飞机上广泛使用的树脂复合材料技术也获得了不断的发展。

（一）耐热性

因为复合材料多用于机翼机身等主要的承力结构中，而飞机在飞行时与空气发生作用，使这些结构的温度能达到150℃，并且根据飞行速度的不同可能更高。当前各国都开始研制飞行速度更高性能更好的飞机，这就要求材料的耐热性要更好。

当前已经出现了更多耐热性极好的复合材料，如：环氧复合材料、双马来酰亚胺（BMI）复合材料、聚氰酸酯树脂、EX-1509树脂等，其中聚氰酸酯树脂具有优异的耐热性和耐湿性并且电性能非常突出，当前主要用于制造雷达天线罩。

（二）提升韧性

随着军事战略的需要，各国也不断加强对战斗机等速度更快的飞行器的研究，这也加强了对复合材料韧性的需求。

波音公司就制定高韧性和耐湿热复合材料的开发目标，要求冲击后压缩强度（CAI）值大于320Mpa，湿热压缩强度大于1000Mpa。而我国在树脂增韧方面也做了大量研究工作，如北京航空材料研究院研制的2285改性环氧树脂（T300/5228）复合材料的CAI值达227Mpa和290Mpa，任性和国外同类材料基本持平。

（三）降低成本

过去为了国防科技发展的需要，过度重视材料性能，随着世界上战争减少、环境趋于稳定各国开始考虑降低材料成本。

制造工艺是降低复合材料成本的关键。先进复合材料传统的成型方法多采用手工铺层的热压罐工艺，但是由于其具有工劳动量大、工时费用高、原材料利用率低、热压罐设备投资大、成本高等缺点，已经不适合当前的要求。当然。新的、更加节省成本的工艺也在不断产生如：纤维束自动铺放工艺、树脂传递模塑（RTM）和树脂膜熔浸（RFI）工艺、新的非热压罐固化工艺、一体化的整体成型技术等。

这些制造工艺都为节省复合材料的制造成本产生的巨大的作用。

四、碳纤维复合材料在飞机结构中的应用方法

（一）明确碳纤维的性能

飞机结构对于材料有很高的要求，所以，在使用碳纤维复合材料时必须明确碳纤维性能，要对碳纤维复合材料进行精确分析。确保碳纤维复合材料能够满足飞机结构对材料的要求，检测碳纤维性能能否在飞机结构中完全保留，使碳纤维材料能够在飞机安全问题上发挥作用。

（二）选择上浆剂

上浆剂材料可以改善碳纤维复合材料的性能，如果将上浆剂涂在碳纤维材料表层不仅能提升材料的耐高温性能还能改善其耐湿热性能，所以，选择合理的上浆剂能使飞机结构的性能更加优越。

（三）优化碳纤维复合材料设计

碳纤维复合材料相对于传统的金属材料更加特殊，和普通材料有很大的区别。所以，在使用碳纤维复合材料进行飞机结构制造时不能使用传统的方法，而需要重新进行设计。要确保碳纤维复合材料的性能能够得以保留，并且能够发挥作用。

当前，我国在复合材料使用方面技术还不够成熟，使用复合材料进行飞机制造时，还存在着很多问题。其中，最大的问题是不能稳定其性能，在飞机结构制造过程中，复合材料的性能由于一些原因而发生改变，所以想要更好地使用复合材料就必须針对碳纤维复合材料进行优化设计。

总结：碳纤维复合材料的性能与一般材料相比有着非常大的优势，其运用到飞机结构中也能提升飞机性能，但是在对飞机材料进行选择时必须按照飞机材料选择的标准进行才能保证飞机的安全性。虽然在当前的飞机制造业中，由于技术水平的限制复合材料所占比重还不够高，但是随着技术的不断进步，复合材料终将会成为制造业选材的主体。

[参考文献]

[1]宋兴龙.碳纤维复合材料在飞机结构上的应用[J].科技尚品，2017，（7）：21.

[2]，荀国立.实现飞机主结构成本效益的一种新型复合材料解决方案[J].航空制造技术，2013，（15）：55-57.

希望文章整体上深度能稍微再深一点，最好能把飞机结构强度和复合材料结合起来，希望提到复合材料的加工工艺对强度的影响等问题。

沈阳航空航天大学 110000