杨超凡·制造民机的复合材料
双通道、宽体客机波音787和空客A350，制造机体所用的材料件见图。图中百分数表示所选材料占飞机结构重量的比例。这里的复合材料主要是，碳纤维增强树脂（CRFP），或者叫树脂基碳纤维复合材料。很显然它是由两部分组成：增强材料碳纤维和基体材料基材树脂。
碳纤维是由聚丙烯腈(PAN)纤维经过氧化 – 碳化– 表面处理 – 上浆 – 成卷。直径约5-10微米 (0.005-0.010毫米），长度可达5700多米的黑色纤维。这里的聚丙烯腈(PAN)纤维，是专门用来制造碳纤维的，又叫原丝（precursor）或前体。两份原丝生产一份碳纤维。一根丝束（Tow）中包含的碳纤维数量用“K”表示，K= 1000根。飞机结构使用最多的是12K、24K。24K以下的丝束，又叫“小丝束”碳纤维。用一般市场购买的，价格低廉的聚丙烯腈纤维，生产出来的碳纤维在48K以上。这种碳纤维叫“大丝束”碳纤维。在1315℃碳化的纤维，其中含有93%到95%的碳元素。拉伸模量225-327GPa东丽公司用“T”表示。T后面的数字，表示强度。数字越大，强度越高。此类纤维归类为中模量碳纤维如，T300、T400、T700、T800、T1000、T1100。它用于制造飞机结构件复合材料中的增强体。在1900°C到2480°C的温度下石墨化的纤维，含有99%以上的碳元素，拉伸模量300-700Gpa。东丽用M表示如，M35、M40、M50、M60、M70。数字越大，模量越高。此类纤维归类为高模量碳纤维。它多用于制造航天飞船、卫星上，要求耐温差、不变形、高精度零件的复合材料中。制造碳纤维的原材料还有，人造丝、沥青以及生物基的富碳原丝，如木质素或生物基PAN。目前用这些原材料制造出的碳纤维，还不能用来制造飞机结构件。 基材树脂（matrix）是依一种树脂为基础，在其中分别加入固化剂、催化剂、增塑剂和一些特殊功能颗粒，组成的高分子混合物。基材树脂中基础树脂，分热固性树脂和热塑性树脂两大类：- 热固性：环氧树脂(EP)、双马来酰亚胺(BMI)、酚醛树脂(PH)、氰酸酯(CE)、聚酰亚胺 (PI)。
- 热塑性：聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI) 、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚酰胺 (nylon, PA-6, PA-12)、聚碳酸酯(PC)。
基材树脂（matrix）是复合材料中最复杂，又变化多端的高分子化学材料。它根据结构零件不同的使用要求、不同的制造工艺、不同生产厂家生产的碳纤维，需要量身定制。例如：• 波音787机身、机翼蒙皮使用东丽（Toray）公司的碳纤维和他的环氧树脂基材3900-2B。• 波音787球面框用苏威（Solvay）公司的碳纤维和他的环氧树脂基材977。• 波音787机翼后缘、活动面使用赫氏（Hexcel）公司的碳纤维和他的环氧树脂基材8552。上述列举的3900-2B、977、8552基材树脂，虽然都是环氧树脂为主，但其中其它成分都是商业秘密。环氧树脂与固化剂的比例高得多的比例(通常为1:1或2:1)添加固化剂。固化剂(B部分)与基础树脂(A部分)在加成反应中按固定比例共反应。因此，正确的树脂与固化剂的配比是保证反应完全的关键。否则，树脂既不能完全固化，也不能达到其全部性能。固化剂的类型影响固化后树脂的性能，从而影响复合材料零件的最终性能。固化剂包括脂肪族胺、环脂肪族胺、聚酰胺、芳香胺、酸酐、酚类、硫醇和潜在固化剂(如路易斯酸)。环氧树脂基材（matrix）绝对不是市场上可以买到的一般环氧树脂。 树脂基碳纤维复合材料的命名，是将所用的碳纤维和基础树脂的商品名称同时列出，并在两者之间加“/”分开。由于使用复合材料制造零件的工艺不同，复合材料的供应状态也不同（见表）。
表中的基材树脂均是热固性环氧树脂基，它是液态的。当加入固化剂后需要在-18°C环境下运输、保存。1、预浸平纹布。用T800S（或IMA）碳纤维织成平纹布，再浸渍基材树脂。然后在浸渍布的一面加隔离布，成卷供应客户。预浸平纹布用于制造长桁和机身框。2、预浸单向带。用T800S（或IMA）碳纤维织成300、150、75毫米宽的单向带，浸渍基材树脂。单向带含有10%的纬纱。787机翼和A350机翼壁板蒙皮用它制造。
3、预浸无捻纱带。用T800S（或IMA）碳纤维不加捻的丝束（Tow）,拉直、压平，形成3.2、6.4、12.7毫米的窄带（narrow slittape）。再用“固态”浸渍工艺，将基材树脂加入其中。在窄带的一面加隔离布，成卷供应客户。纱带的宽度、厚度均有严格的公差要求。浸渍树脂要均匀，树脂含量不超过35%。用它制造787、A350机身和蒙皮和A350-1000机翼蒙皮和梁。波音777X机翼蒙皮用38.1毫米的宽带，梁用窄带。
4、干无卷曲织物（NCF）。是由多层碳纤维纺织物缝合在一起。最常用的无卷曲织物是双轴、三轴和三轴织物，其中纤维束是直的，具有不同方向（0、45、90度）以提供多向性能。
5、干无捻纱带。用IMS 65碳纤维不加捻的丝束（Tow）,拉直、压平，形成3.2、6.4、12.7毫米的窄带（narrow slit tape）。带的两面包覆Cycom7720热塑性树脂薄膜。热塑薄膜保护碳纤维不擦伤，防止纱带分裂。
基材树脂与碳纤维结合，实际是基材树脂与碳纤维表面的浆料结合。结合的程度又直接影响，制成零件的强度。浆料是各厂家的商业秘密。各个生产碳纤维的厂家，所用的浆料不同。因此需要碳纤维与基材树脂配套供应。适航认证过程中对碳纤维和基材树脂分别进行。二者必须是批量化的商品。因此，只有同一厂家生产的碳纤维和基材树脂，组合的复合材料，才能容易取得适航认证。热固性环氧树脂基碳纤维复合材料，东丽公司已经研制出T1100G / 3960。其中T1100G拉伸强度7000MPa; 拉伸模量324GPa（T800S拉伸强度5900MPa; 拉伸模量294GPa）。3960不需要在热压罐中固化。它既可以用于预浸料，又可用于树脂转移成型（RTM）。• 制造787、A350机身、机翼零件所用的热压罐，罐体庞大，建造和使用的费用很高。固化工序得8-10小时；• 预浸料（半固化片）库存期短，一般不超过6个月。运输、保管要在-18°C环境中进行。• 压缩强度低，不适合制造承受剪切应力大的零件，如机翼翼肋（787、A350、A220、MC-21翼肋全部是铝合金制造的）。• 在飞机制造中，除了蒙皮与长桁连接不用铆钉外。其它零的件连接还得用铆钉。热塑性碳纤维复合材料，恰好弥补上述热固性复合材料的缺点。热塑复合材料中的碳纤维供应状态没有变化。主要是得益于有了新的压缩性能好的树脂，如聚醚酮酮；各种新的、先进的塑料焊接工艺和设备，能适应飞机结构的特点、能在自动生产线上使用。从目前报道中明显看出，正在研发的新型号民机，机体热塑复合材料用量，将大大超过53%。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-12-01
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