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树脂基碳纤维复合材料在航空领域广泛应用

作者: 发布时间:2019-10-15 点击:1155

碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料,以树脂、金属、陶瓷等作为基体材料, 经过复合成型制成的结构材料。与传统的金属材料相比,其具有密度小、比强度/ 比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、便于设计、易于大面积整体成型加工等优点。 按基体的不同,可分为树脂基复合材料(CFRP)、碳/碳复合材料(C/C)、金属基复 合材料(CFRM)、陶瓷基复合材料(CFRC)及橡胶基复合材料(CFRR)等。CFRP 是碳纤维主要的消费领域,其在全球碳纤维复合材料市场中的消费占比约为 80%。


碳纤维/环氧树脂复合材料(CFRP)是大型整体化结构的理想材料,可使飞机减重 20~40%,大幅降低成本。与其他航空航天金属合金相比,CFRP 有更高的比强度/模量, 重量更轻,更好的耐腐蚀性和抗疲劳寿命性,更大的有效载荷(人员、航空电子设备、 弹药等以及更长的航程和燃油节省,碳纤维复合材料的耐高温性非常好,机件在使用 过程中能够承受高温带来的影响,减少不必要的损失,在高温条件下它的属性和性质不会轻易的发生变化,为航空设备的平稳运行提供保障。更重要的是,CFRP 的良好 成型性可以使结构设计成本和制造成本大幅度降低(零件和紧固件较少)。空客公司 提出更多地用轻质高强材料使机身减重 30%,整个飞行成本可降低 40%。


大飞机研制推动碳纤维复合材料行业发展


航空需求推动碳纤维工业的发展和先进复合材料技术日趋完善。根据《碳纤维 复合材料在大飞机上的应用》,1981 年,波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维, 促进了高性能碳纤维的研发步伐。1984 年,日本东丽公司率先研制成功 T800;1986 年,又研发成 T1000。随后,日本东邦、三菱人造丝公司和美国 Hexcel 公司相继研 制出同类高性能碳纤维,为制造大飞机提供了新型复合材料。


韧性 CFRP 是典型的用来制造大飞机一次和二次结构件的韧性复合材料。先进通 用级 T300 碳纤维其 CFRP 可用来制造飞机的二次结构部件。例如,T300/5208 用来制 造 B757、B767 和 B777 的二次结构部件。但因 T300 的抗拉强度仅为 3.53GPa,抗拉模 量为 231GPa,特别是断后延长仅有 1.5%,满足不了制造一次结构件的要求。随后开 发成功的高强中模型碳纤维在上述 3 项质量指标有了大幅度提高,在配套韧性环氧树 脂所制高性能韧性 CFRP 就可用来制造大飞机的一次结构件。韧性 CFRP(如 T800H/3900-2)是当前制造先进大飞机一次和二次结构件的典型材料。目前,日本东 丽公司为 B787 客机研发了第三代增韧环氧复合材料 T800S/3900–2B,属于经改进的 大丝束碳纤维,该材料的冲击后压缩强度值(CAI)达到了 315~345MPa。


碳纤维复合材料成型技术主要包括预浸料-热压罐工艺、液体成型工艺、非热压 罐工艺、模压、缠绕和拉挤成型工艺。预浸料-热压罐工艺是目前应用为广泛、 为成熟的航空复合材料结构成型工艺。它主要是以预浸料为加工对象,通过热压罐来 提供必要的压力环境,并在一定的温度下使预浸料叠层完成固化而得到复合材料零件 的制造技术。多用于主承力结构,如机翼、中央翼盒、机身等。液体成型工艺(LCM) 是将液态树脂(或加热熔化预置的树脂膜)注入铺在模具上的纤维预成型体,树脂在 流动的同时完成纤维的浸润并经固化成为制品,可以省略预浸料加工、预浸料低温储 存和使用昂贵的热压罐 3 道工艺过程,是进入本世纪以来发展迅速的一种低成本工艺。 而非热压罐(OOA)工艺是另一种低成本的新工艺,专指相对于传统预浸料+热压罐 工艺,依然采用预浸料但不需要热压罐设备,仅在真空压力下固化的工艺技术,尚处 于初步试用阶段。


C919 复合材料用量占 12%,使用 T800 碳纤维复合材料


C919的复合材料用量约为 12%(飞机结构重量),主要使用碳纤维复合材料。根 据《C919 上用了哪些新材料》,复合材料应用部件包括水平尾翼、垂直尾翼、翼梢小 翼、后机身(分为前段和后段)、雷达罩、副翼、扰流板和翼身整流罩等。如此大规 模的采用碳纤维复合材料,国内尚属。此前 ARJ21 支线客机复合材料用量为 8% 左右,其方向舵和翼梢小翼采用了碳纤维/环氧树脂复合材料,翼身整流罩和机头雷 达罩采用了玻璃纤维/环氧树脂复合材料。在 C919 复合材料结构件中,有大尺寸复合 材料壁板结构(水平尾翼、垂直尾翼)、蜂窝三明治夹层结构(活动面)、大曲率变截 面(后机身)等复杂结构,加之尺寸很大,使得制造难度增加。C919 客机中央翼盒 原计划采用复合材料,但由于缺乏应用及验证经验,为了保证研制进度,终改为了 传统的金属结构。


C919 大型客机是国内使用 T800 级高强碳纤维复合材料的民机型号。相比 T300 级材料,T800 级材料强度、模量更高,韧性更强,具备更好的抗冲击性。因此, C919 上受力较大的部件,如后机身和平垂尾等都使用了 T800 级碳纤维复合材料。 T300 属于代民机复合材料,其树脂基体为未增韧的脆性环氧树脂基体,增强纤维为 T300 碳纤维,拉伸强度约为 3.5GPa,拉伸模量约为 230GPa。T300 呈现脆性材料 性能特征,对冲击载荷引起的分层损伤比较敏感,因此只能用于受力不大的次承力结 构。C919 上使用的 T800 材料采用增韧环氧树脂基体,增强纤维为 T800 碳纤维,拉伸 强度和拉伸模量较 T300 提高 50%左右,也是目前国际上主流民机主承力结构应用 为广泛的复合材料。


国内高性能碳纤维复合材料发展现状


总体而言,我国复合材料技术的研究水平和产业化水平与发达相比还有较大 的差距。我国通过民机型号研制以及一系列民机预先研究,已初步建立了“设计–制 造–装配–维修”的复合材料一体化概念和相配套的技术体系,但也面临着材料体系 单一、材料规范不全、材料性能数据积累不足、供应链不完善等问题。先进复合材料 作为我国的一项“卡脖子”技术,应以“自主可控”为目标,尽快实现其国产化。


碳纤维方面


国内企业已具备 T300、T700 级碳纤维批量生产能力;T800 完成小规模试制,但 在产品质量和稳定性方面与国外仍有差距。多年来,在对碳纤维行业的发展的 大力支持下,我国碳纤维行业得到较大发展:根据中航高科 2020 年年报,国内企业 已具备航空用 T300 级和 T700 级碳纤维的技术和批生产能力,且已在军用航空复合材 料上批量应用;T800 级碳纤维完成了工程化试制,正在进行装机验证。部分民企已 具备航空复合材料树脂、预浸料和复合材料零件研制或生产能力。但是,由于前期国 内碳纤维行业缺乏核心技术团队,多数企业依赖于进口生产设备、缺乏对其消化和吸 收能力,生产技术和生产线自动化均较弱,导致生产工艺稳定性和过程控制的一致性 较差,影响碳纤维的产品质量和稳定性,生产成本较高。未来需要实现“从有到优”, 具体路径就是稳质降本,低成本生产技术是大小丝束共同需要的基础技术。


高韧性树脂基复合材料方面


我国高韧性复合材料技术能力与国外差距较小。根据《航空碳纤维树脂基复合 材料的发展现状和趋势》,当前,以 5228A 为代表的热塑性树脂共混增韧高温固化环 氧树脂基体发展成第二代高韧性树脂基体,其复合材料的 CAI 为 250MPa 以上。结合 国内 T800 级碳纤维的研制成功,航空工业复合材料技术中心研制了新一代高韧性环 氧树脂基复合材料 AC531,冲击后压缩强度达到了 340MPa 以上,达到了第三代韧性 复合材料的水平。从复合材料韧性水平来看,国内与国外的差距较小。


复合材料工艺方面


C919 研制项目推动复合材料自动化工艺技术发展。大飞机研制之前,国内各大 飞机制造公司没有大型复合材料零件生产的自动化设备,如预浸料自动铺带机、热隔 膜成型机、大型无损检测设备及标准、大型热压罐等等。复合材料的铺贴一般采用人 工手铺,稍微大一点的零件即需要几个班组加班加点,制造效率低,产品重复性也差。 面对这种情况,国内航空制造企业有计划地采购国外成熟的制造设备,为大型复合材料的研制提供保障。几年间诸如预浸料自动铺带机、自动铺丝机等先进设备陆续安装 调试并投入使用。至此,中国具有了可以快速、稳定铺放大尺寸复合材料的国际的设备和能力。另外,复合材料热隔膜成型设备、复合材料超声波裁断机、大型水切割设备、大型 C 扫描等先进自动化设备也成为了国内复合材料零件供应商的生产装备。


国内已掌握低成本液体成型工艺并实现工程应用。近年来国内已经开发了系列 工艺性和力学及耐热性能优良的液态成型树脂体系,耐温涵盖了从 60~350℃的温度 范围,这些液态成型材料体系突破了低黏度化等技术难题,并研发了与各树脂体系匹 配的定型剂材料,建立了相应的材料和工艺标准,在多个型号中实现了工程应用,扩 大了碳纤维复合材料的应用范围。


供应链方面


碳纤维是加快发展的战略性新兴产业,高性能碳纤维研发及产业化项目受 经费支持。为促进我国先进复合材料技术进步,推动我国先进复合材料技术整 体研发能力的提升和产业化发展,满足 C919 客机的发展需要,我国将江苏航科复合 材料科技有限公司的“大型民用客机关键零部件用 T800 级碳纤维的研发及其产业化 项目”列入战略性新兴产业发展重大专项。受到扶植的相关项目还有:中简 科技发展有限公司 T700/T800 级碳纤维及复合材料研发、产业化及在航空领域的应用 示范项目,江苏恒神纤维材料有限公司千吨级(GQ4522 级)碳纤维复合材料在航空领 域应用验证与产业化项目,湖南博云新材料股份有限公司年产 305t 高性能碳/碳复合 材料研发与产业化项目等。


中航高科卡位预浸料核心环节,深度参与国产大飞机研制过程。预浸料是制造 复合材料及其制件的中间材料,构成了复合材料的基本单元,其质量的均匀性和稳定 性,是保证复合材料及其制件质量和可靠性的重要环节。中航高科是国内航空碳纤维 预浸料龙头企业,下属航空工业复材深度参与国产大飞机预浸料研制,2018 年年报 披露其生产的 C919 用国产预浸料完成首批交付,实现了此领域国产材料零的突破; 2020 年年报披露两种 C919 国产预浸料在新生产线验证中通过中国商飞 PCD 预批准, 开展 C919 升降舵工艺验证试验,参与 C919 第三战线复合材料尾翼优化项目;2021 年 完成 C919 某试验件的设计,并获得 CR929 飞机前机身工作包入选供应商资格。 公司已与制造院签署了《先进航空复合材料系列预浸料技术实施许可协议》,为国产 T800 级预浸料产业化发展创造了条件,随着后续 C919 批量交付,公司将直接受益。