材料,与人类历史发展有着密切关系。一种用于结构的好材料,一般应具有较大的强度,或者外力作用下发生形变相对较小,或者重量较轻。而有时候,我们要求材料必须同时具备强度高、变形小和重量低这三种特性。因此,材料科学领域提出了比强度和比模量的概念。
比强度是材料的强度(断开时单位面积所受的力)除以其密度。比强度高,简单的说,就是材料又要结实,又要轻。
比模量是材料的模量(在受力状态下的应力与应变之比)除以其密度。比模量高,简单的说,就是材料又要变形小,又要轻。
强度高、变形小、质量轻,什么地方会用到这样的材料呢?没错,就是航空和航天工业。飞行器的运动速度高,过载大,对材料强度和变形有严格要求。而且,商用飞机每减重一公斤,一年就能节约3000美元的燃料,降低飞行成本。
当然,大家可以想到,航空航天领域的材料,还需要一个特质,就是耐高温。强度高、变形小、重量低、耐高温、成本低。能完美的满足这五个要求的材料。就是咱们今天要讲的主角——碳纤维复合材料。
碳纤维复合材料具有很多显著优势:比强度、比模量高、耐疲劳性能好、可设计性好、整体成型、多功能性、后续维修成本低。
从1980年代用在B757的4% 、B767的4%到1990年代A340的14%、B777的11%、 再到2000年之后的A380的25%、B787的50%、A350的52%,我们可以看到,复合材料的使用比例在逐年增加。
波音787采用大量复材,使用比例达到50%,包括45%的碳纤维复合材料和5%玻璃复合材料。复合材料既是材料更重要的是结构,787的机身、机翼、垂尾、舱门等都是采用碳纤维复合材料,由此其油耗比传统飞机要低3%。
除此之外,复合材料的耐久性也让波音787的维修间隔大为增加,维修成本随之下降30%左右,复合材料还提高了飞机的舒适性,由于其抗湿、腐蚀、疲劳等性能比铝合金要好的多,因此设计人员可以提高机舱的温度、温度和压强,并且可以采用更大尺寸的舷窗,从而可以为乘客提供更加舒适的旅行环境。
碳纤维复合材料在波音787飞机上应用▲
国产大飞机C919一经推出已经获得了500多架的订单,目前整个C919使用CFRP仅占12%。假设未来机身重量50%使用复合材料、每架使用10吨碳纤维,按照200万/吨售价,每架订单将带来2000万收入,如果按照平均每年50架的交付进度,年产值逾10亿元,按照后期设计150架/年总装能力,粗略预计碳纤维在中国大飞机市场年产值超过30亿元。
另外,国产新型支线客机ARJ21以及新舟系列支线客机也会向轻量化靠拢,ARJ21-700型飞机待交付能力提升后也将带来不俗的市场空间。
一、预浸料真空袋-热压罐工艺
1、预浸料
预浸料-热压罐固化成型工艺的第一步,就是把碳纤维放入热固性高韧性树脂预浸料进行预浸、吸胶,并加温进行固化。
单向预浸料▲
2、预浸料-热压罐整体成型工艺
用预浸料-热压罐工艺生产碳纤维制造复合材料,要先将碳纤维浸溶在树脂溶剂里,进行铺叠成型。接着经过模具工装进行表面组装固定,在部件接触面贴胶。其后进热压罐固化,并通过紧固成为成品构件。
二、复合材料结构自动铺放技术
1、铺带(ATL)
特点: 特别适合曲率小的大制件生产;提高生产效率,减少对熟练工人的需要;纤维铺贴角度更准;重复性好
目前实用案例:A350 机翼和中央翼盒、B787 机翼等大量部件
2、铺丝(AFP)
与铺带技术相比具有以下特点:带窄;速度慢,纤维间隙要小适合于大曲面的制件。
目前实用案例: A350 机身、B787 机身
(文章整理自网络、碳纤维生产技术及“2018年高性能纤维及复合材料工程技术创新论坛”上中国商飞上海飞机制造有限公司副总工程师刘卫平所作报告)
来源:中国纤维流行趋势
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