第四章空客公司使用復(fù)合材料的現(xiàn)狀1-2

1、目 的 與 要 求重 點(diǎn)難 點(diǎn)教 具復(fù) 習(xí) 提 問新知 識點(diǎn) 考查布置 作業(yè)課后 回憶第四章 空客公司使用復(fù)合材料的現(xiàn)狀1-2明確空客使用復(fù)材的目的、意義和最終的作用熟悉復(fù)合材料的使用給空客公司在制造過程帶來的優(yōu)勢 熟悉A380使用復(fù)材的特點(diǎn)以及使用中存在的問題 了解A380中使用的復(fù)合材料和原材料種類 了解空客使用先進(jìn)復(fù)材成型技術(shù)的種類及其特點(diǎn)熟悉復(fù)合材料的使用給空客公司在制造過程帶來的優(yōu)勢 熟悉A380使用復(fù)材的特點(diǎn)以及使用中存在的問題了解A380中使用的復(fù)合材料和原材料種類明確空客使用復(fù)材的目的、意義和最終的作用熟悉復(fù)合材料的使用給空客公司在制造過程帶來的優(yōu)勢熟悉A380使用復(fù)材的特點(diǎn)以

2、及使用中存在的問題了解A380中使用的復(fù)合材料和原材料種類課堂布置熟悉A380使用復(fù)材的特點(diǎn)以及使用中存在的問題備注教員2«&海嶼整校年代% / swouodujo。slsodujoojooJBqs圖1復(fù)合材科在航空結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用發(fā)展（含軍機(jī)）504030201002*.毅A320 A °OA321#,XA340 O B 渺 X既 A310“*"* 京 777767 I'MDUMD80 璘丁鐲W-400MD9019751980198519901995200020052010Year圖2復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用Fig.4 Application of c

3、omposite materials on civil airplanes1 .空客公司的應(yīng)用現(xiàn)狀1.1. 復(fù)合材料在大型民機(jī)上的應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)上采用先進(jìn)復(fù)合材料可以 大幅度減輕機(jī)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量、改善氣動彈性，提高飛機(jī)的綜合性能，因此先進(jìn)復(fù)合材料 在飛機(jī)上的應(yīng)用不斷得到擴(kuò)大。根據(jù)美國復(fù)合材料制造商協(xié)會統(tǒng)計(jì)，2001年世界上 飛機(jī)生產(chǎn)對碳纖維的需求量約為90010001。從大型民用飛機(jī)發(fā)展來看，美國波音公司第一代大型民用客機(jī)B707上沒有采用 復(fù)合材料，復(fù)合材料的用量為0。第二代B747上復(fù)合材料的用量為2%3%,已經(jīng)有 了明顯的增長。B757和B767屬于第三

4、代大型客機(jī)，復(fù)合材料的用量增加到3% 5機(jī) 波音公司最新的B777第四代大型客機(jī)，采用復(fù)合材料達(dá)到89t,占該機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量 的9%左右。歐洲空中客車公司生產(chǎn)的超大型客機(jī)A380-800可搭乘555名旅客，起飛 質(zhì)量56t,復(fù)合材料的用量高達(dá)25機(jī)從1960年DC-9飛機(jī)到2004年A380-800客機(jī)，復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)上的用 量根據(jù)美國宇航局（NASA）哈里斯（Harris, C. E.）和夏特（Shuart, M. J.）的統(tǒng)計(jì) 詳見表lo由表1對復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用可得出如下結(jié)論：（1）世界上最大、最有影響生產(chǎn)大型民用飛機(jī)公司主要有美國波音公司、美國麥 克唐納道格拉斯公司（簡稱麥

5、道公司）、美國洛克希德公司和歐洲空中客車公司， 因麥道公司已被波音公司兼并，洛克希德公司已退出民用飛機(jī)市場，因此，復(fù)合材料 在民用飛機(jī)上的應(yīng)用，實(shí)際上就是看美國波音公司和歐洲空中客車公司在大型民用飛 機(jī)生產(chǎn)中采用復(fù)合材料的水平。（2）復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)上的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料 在大型民用飛機(jī)上的用量不斷增長，從1960年DC9的用量不足1%, 1980年代逐步增 長到A310的10%左右，而到2003年復(fù)合材料在A380的用量高達(dá)25%。復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)上的應(yīng)用已接近在先進(jìn)軍用飛機(jī)上的應(yīng)用水平。F22 是當(dāng)前美國最先進(jìn)的軍用飛機(jī)之一，復(fù)合材料的用量在26%左右。而

6、2003年歐洲空 中客車公司生產(chǎn)的A380超大型客機(jī)，復(fù)合材料的用量也高達(dá)25%,表明復(fù)合材料在 先進(jìn)軍用飛機(jī)和先進(jìn)的大型民用客機(jī)上的用量已相當(dāng)。（4）歐洲在大型民用飛機(jī)上采用先進(jìn)復(fù)合材料量已大大高于美國。從表4-5可明 顯地看出，歐洲空中客車公司生產(chǎn)的大型民用飛機(jī)，其復(fù)合材料的應(yīng)用程度比美國要 高得多。歐洲空中客車公司在1985年生產(chǎn)的A300-600,復(fù)合材料的用量已經(jīng)達(dá)到5% 6%,該公司生產(chǎn)的A320、A321、A322等復(fù)合材料的用量都達(dá)到或超過15%,而A380 高達(dá)25%。美國波音公司在1990年生產(chǎn)的B747-400,復(fù)合材料的用量僅為2%, 1995年生產(chǎn) 的B777是美國波

7、音公司生產(chǎn)的大型民用飛機(jī)中采用復(fù)合材料最高的，復(fù)合材料的用 量也只有9%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同時(shí)期歐洲空中客車公司生產(chǎn)大型民用飛機(jī)復(fù)合材料的采用 量。表4-5復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用（空客和波音的對比表）年份型號復(fù)合材料用量（%）備注1960DC-91麥道公司1968B74723波音公司1971DC-101麥道公司1974L10111洛克希德公司1980MD801麥道公司1982B75734波音公司1983B76745波音公司1984B7371波音公司1985A300-60056空中客車公司1986A31010空中客車公司1989A32015空中客車公司1990B747-4002波音公司1991A34

8、013空中客車公司1992MD 1145麥道公司1993A33013空中客車公司1994A32115空中客車公司1995B7779波音公司1997A32215 16空中客車公司2004A38025空中客車公司1.2.復(fù)合材料在歐洲空中客車公司A380-800飛機(jī)上的應(yīng)用正在建造中的歐洲空中客車公司A380-800飛機(jī)長73m、高24. 1m、翼展79. 8m, 在最經(jīng)濟(jì)有效的0.89M飛行速度下，航程1.4X10km。它是民航飛機(jī)中最先進(jìn)、最具 代表性、也是采用復(fù)合材料比例最高的機(jī)種。A380-800飛機(jī)中先進(jìn)維復(fù)合材料用量高 達(dá)30 35t,主要是碳/環(huán)氧復(fù)合材料，也包括GLARE (玻璃纖

9、維增強(qiáng)鋁)和玻纖/環(huán) 氧。此外，還有30t玻纖/酚醛復(fù)合材料，用于飛機(jī)的裝修。A380-800飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件分別由空中客車各分公司和合作伙伴完成?？罩锌?車法國分公司制造中機(jī)身，包括中翼盒、機(jī)頭和駕駛艙。BAE系統(tǒng)公司生產(chǎn)主機(jī)翼段。 空中客車德國分公司制造機(jī)身、前、后機(jī)翼(包括玻璃纖維增強(qiáng)鋁GLARE的組裝)、 垂直尾翼和后壓力艙壁等?？罩锌蛙囄靼嘌婪止局圃旌髾C(jī)身、水平安定面、腹部整 流裝置、方向舵和升降舵等。一些復(fù)合材料次承力構(gòu)件由歐洲、美國和日本等國轉(zhuǎn)包 合同公司承擔(dān)。第一架A380-800的制造生產(chǎn)始于2002年1月23日，將最后于2004 年在法國吐魯茲(Toulouse)組裝。A

10、380-800的首飛已經(jīng)于2004年實(shí)施。A380-800飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的尺寸與其他同類飛機(jī)相比，無論長度或厚度都超 過1倍，除了常規(guī)手工鋪層/壓力釜工藝外，A380-800飛機(jī)上采用一系列復(fù)合材料先 進(jìn)制備技術(shù)，包括：先進(jìn)纖維鋪放技術(shù)(AFP)預(yù)浸帶自動鋪層技術(shù)(ATL),樹脂膜 浸滲技術(shù)(RFI)、樹脂傳遞模技術(shù)(RTM)、拉擠(Pultrusion)和熱塑性樹脂成型/ 焊接技術(shù)。A380-800飛機(jī)上采用的碳纖維、預(yù)浸料、樹脂等原材料詳見表2。表2歐洲空中客車公司A380飛機(jī)上采用的碳纖維及復(fù)合材料原材料材料用途生產(chǎn)單位備注T800S 碳IM600 碳纖維用于制備中模碳纖維 復(fù)合材料構(gòu)

11、件，包括水平 安定面、垂直安定面，中 翼盒等。日本東麗 (TORAY)公司 纖維日本東邦 (TOHO)公司24K24KHexply M21 碳 纖維預(yù)浸料用高強(qiáng)中模碳纖維處，制 備包括水平安定面和垂直 安定面蒙皮，中翼盒等美國赫克塞爾 (HEXCEL)公司M21是第三代 增韌樹脂Hexply8552/AS4 碳纖 維預(yù)浸料帶用自動纖維鋪層法制備后 機(jī)身蒙皮美國赫克塞爾 (HEXCEL)公司Hexply8552 是 180固化的 高韌樹脂Hexply 6376 環(huán) 氧預(yù)浸料制備拉擠桁條、垂直安定 面加強(qiáng)條等美國赫克塞爾(HEXCEL)公用東邦公司 HTA碳纖維表4-6歐洲空中客車公司A380飛機(jī)

12、上采用的碳纖維及復(fù)合材料原材料(續(xù)表)材料下途生產(chǎn)單位備注Hexply 250 酚 醛預(yù)浸料機(jī)艙壁板美國赫克塞爾 (HEXCEL)公司阻燃自熄Hexply 913 預(yù) 浸料用作腹部整流裝置美國赫克塞爾 (HEXCEL)公司Hexply913 用 120低溫固 化的樹脂NC2無皺碳布制備中翼盒中梁等美國赫克塞爾 (HEXCEL)公司NC2用新縫紉 工藝使碳布定 位Saertex無皺多 向碳布后壓力艙壁美國泰克 (CYTEC)公司用樹脂膜工藝 制備CYC0M 977-2 增韌環(huán)氧樹脂用于制備水平安定面和垂 直安定面蒙皮，中翼盒等美國泰克 (CYTEC)公司用于制備主承 力構(gòu)件CYC0M 997 環(huán)

13、氧樹脂制備后機(jī)身蒙皮、發(fā)動機(jī) 艙等美國泰克 (CYTEC)公司高玻璃化轉(zhuǎn)變 溫度:210CYC0M 919 環(huán)氧樹脂用作腹部整流裝置美國泰克 (CYTEC)公司12UC低溫固 化的 樹脂CYCOM 799H 酚醛樹脂機(jī)艙壁板國泰克(CYTEC)公司美阻燃自熄FM-300粘結(jié)膜用于復(fù)合材料粘結(jié)美國泰克 (CYTEC)公司2.簡介空客使用的先進(jìn)工藝技術(shù)2.1. 樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形技術(shù)RTM樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形技術(shù)(RTM)工藝的主要原理是在模腔中鋪放按性能和結(jié)構(gòu)要求 設(shè)計(jì)的增強(qiáng)材料預(yù)成形體，采用注射設(shè)備將專用樹脂體系注入閉合模腔，模具具有周 邊密封和緊固以及注射及排氣系統(tǒng)，以保證樹脂流動流暢并排出模腔中

14、的全部氣體和 徹底浸潤纖維，還具有加熱系統(tǒng)，可加熱固化成形復(fù)合材料構(gòu)件。它是一種不采用預(yù) 浸料，也不采用熱壓罐的成形方法，因此，具有效率高、投資低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)， 是未來新一代飛機(jī)機(jī)體有發(fā)展?jié)摿Φ闹圃旒夹g(shù)。2. 2.樹脂浸漬技術(shù)(RFI)RFI工藝是一種樹脂膜熔滲和纖維預(yù)制體相結(jié)合的樹脂浸潰技術(shù)。其成形過程是 將樹脂制備成樹脂膜或稠狀樹脂塊，安放于模具的底部，其上層覆以縫合或三維編織 等方法制成的纖維預(yù)制體。然后依據(jù)真空成形工藝的要點(diǎn)將模腔封裝，在熱環(huán)境下采 用真空技術(shù)將樹脂由下向上抽吸。樹脂膜受熱后黏度降低，沿著預(yù)制體由下向上爬升, 從而填滿整個(gè)預(yù)制體空間，隨即依照固化工藝，制成復(fù)合材料制

15、件。該技術(shù)由于只采 用傳統(tǒng)的真空袋壓成形方法，免去了 RTM工藝所需的樹脂計(jì)量注射設(shè)備及雙面模具的 加工，在制造出優(yōu)異制品的同時(shí)大大降低了成本。目前在航空領(lǐng)域主要應(yīng)用于飛機(jī)雷 達(dá)天線罩，但是該工藝雖然不采用熱壓罐固化零件，但還需要真空袋系統(tǒng)進(jìn)行固化， 而且工藝溫度要求高，所以要求核心材料和工裝能夠承受高溫。該技術(shù)包括的關(guān)鍵工 藝技術(shù)：預(yù)形件成形(三維編織及健合等技術(shù))、樹脂流動模擬及控制、編織及縫合設(shè) 備研究。2. 3.拉擠成型工藝?yán)瓟D成型工藝是將浸漬樹脂膠液的連續(xù)玻璃纖維束、帶或布等，在牽引力的作用 下，通過擠壓模具成型、固化，連續(xù)不斷地生產(chǎn)長度不限的玻璃鋼型材。這種工藝最 適于生產(chǎn)各種斷面

16、形狀的玻璃鋼型材，如棒、管、實(shí)體型材(工字形、槽形、方形型 材)等。拉擠成型是復(fù)合材料成型工藝中的一種特殊工藝，其優(yōu)點(diǎn)是：(1)生產(chǎn)過程完全實(shí)現(xiàn)自動化控制，生產(chǎn)效率高。(2)拉擠成型制品中纖維含量最高達(dá)80%,浸膠在力下進(jìn)行，能充分發(fā)揮增強(qiáng)材 料的作用，產(chǎn)品強(qiáng)度高。(3)制品縱、橫向強(qiáng)度可任意調(diào)整，可以滿足不同力學(xué)性能制品的使用要求。(4)生產(chǎn)過程中無邊角廢料，產(chǎn)品不需后加工，故較其他工藝省工、省原料、省 能耗。(5)制品質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性好，長度可任意切斷。拉擠成型工藝的缺點(diǎn)是產(chǎn)品形 狀單調(diào)，只能生產(chǎn)線形型材，而且橫向強(qiáng)度不高。2. 4.纖維纏繞工藝?yán)w維纏繞工藝主要用于空心、圓形及橢圓零件，如管路及油箱。纖維束通過一個(gè) 樹脂池后以各種方向和速度纏繞到芯軸上，方向和速度由纖維進(jìn)給機(jī)控制。這是一項(xiàng) 已經(jīng)發(fā)展較為成熟的技術(shù)，是簡形件的低成本快速制造方法。無論是在自動化、速度、 變厚度、質(zhì)量和纖維方向上都較其他工藝得到巨大的改進(jìn)。目前纖維纏繞主要缺點(diǎn)是 成本高、自動化程度低，未來可能用于昂貴的鈦合金接頭和發(fā)動機(jī)葉片等，而且在 成本上將有所降低。3. 5.自動鋪放技術(shù)自動鋪放技術(shù)在現(xiàn)代飛機(jī)上已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，并取得了巨大進(jìn)展，飛機(jī)復(fù)合材 料零件的生產(chǎn)由于規(guī)模有限，因此全自動化可能并不是最經(jīng)濟(jì)的手段，但半自動化生 產(chǎn)則是較可行的制造方法。現(xiàn)有的自動鋪疊技術(shù)已