碳纤维复合材料助力飞机实现轻量化

行业动态 / 2024-07-31 17:46:21

金属一直以来都是机械制造中的主力，因为金属的强度、刚度要远远好于塑料、橡胶、木材等等非金属材料，所以很长一段时间内，金属的作用很难被替代。

但是随着材料学的发展，金属已经不再是我们的唯一选择，甚至于有大量的非金属材料因为有他们的“独门绝技”所以被应用到航空发动机中，比如说陶瓷材料，就因为其极佳的耐高温性能而有可能在未来的航空发动机高温部件中得到使用。

早在上世纪六十年代，日美就开始将碳纤维应用于航空航天领域。而中国在碳纤维的应用上也不甘落后，1984 年我国就在国产卫星上使用了碳纤维复合材料结构件，开启了自主探索的征程。
例如，我国的神舟系列飞船，从神舟一号到神舟十三号，从无人到载人，其使用的大尺寸、多开口推进分系统主承力薄壁加筋截锥，就是我国载人航天史上首次使用的大型碳纤维复合材料制品。
在飞机领域，550 座的世界最大飞机 A380 因大量使用碳纤维增强塑料（CFRP）创造了飞行史上的奇迹，其 25%的部件由复合材料制造，包括减速板、垂直和水平稳定器等关键部位。我国的 C919 大飞机也采用了先进复合材料，代表了我国在该领域应用水平的突破。
此外，光威集团作为我国碳纤维研发生产的重要力量，自 2002 年成立威海拓展纤维有限公司以来，不断攻克技术难题。2005 年成功批量生产碳纤维后，积极投入到航空领域高性能碳纤维的研发与应用验证中。如今，拓展纤维已成为 C919 等国产飞机的碳纤维供应商，在航空航天领域取得了显著成果。
这些早期的探索和成功案例，充分展示了碳纤维在航空航天领域的巨大潜力和广阔前景，让人们对其未来的应用充满期待。

航空航天工业为何青睐碳纤维？

如果我们希望航空发动机可以制造的足够轻盈，那么如何在条件允许的情况下尽量减小材料的密度是一个很好的方法。当年的钛合金就是因为轻质，并且在刚度、强度和高温性能合格，现在已经是一种被广泛使用的优秀航空材料。

但是金属毕竟是金属，即便是像镁铝合金那样的材料，密度也只是堪堪做到2000kg每立方米左右，而且金属材料都有一个很严重的问题，那就是金属有疲劳问题，当金属材料内部受到变化的力的时候，只要这个力足够大、作用的时间足够长，那么材料就会产生微裂纹，然后这样的裂纹会快速变长、直到整个材料都裂开。

所以这个时候一种新材料：碳纤维，出现在工程师们的视野中。

这种材料首先有一个最明显的优点：轻。碳纤维密度一般在1400~2000kg每立方米，经过环氧树脂强化的碳纤维密度也不过1600kg每立方米而已，远远好于金属材料。

而且这种材料抗拉强度极高，想要拉断高强度碳纤维材料需要用拉断同样横截面积钢铁的力的两到四倍。

另外，碳纤维跟金属材料不一样，碳纤维材料并没有所谓的“疲劳强度”的概念，也就是说变化的力对于金属材料来说是一种威胁，需要重点关注，但是放在碳纤维这里却不叫什么事情。

上面这些优点对于航空器材可以说是至关重要，因为这些东西是要飞上天的，所以自然是越轻越好，而且像航空发动机这样的装置，需要承受巨大、复杂的载荷，工作状态下零件内部会分布有复杂变化的载荷，有这么一种密度小、强度高、抗疲劳能力强的材料简直就是如有神助。

碳纤维由于具有上述优点，所以在航空航天领域的应用非常广泛，比如说碳纤维可以被用来制造火箭的燃料储藏罐，比如说可以用来制造飞机的外壳，等等。尤其是现在先进民用客机制造中，碳纤维的使用比例已经超过了50%。

碳纤维的技术创新正朝着更高性能、更易成型和更低成本的方向发展。例如，新的制造工艺如“拉伸断裂”碳纤维技术，使碳纤维更容易形成复杂形状，降低制造成本。同时，碳纤维激光切割技术的不断优化，提高了切割精度和效率，为碳纤维在航空航天发动机中的创新应用提供了支持。


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