波音787中復(fù)合材料的應(yīng)用及性能特點(diǎn)

1、波音787中復(fù)合材料的應(yīng)用及性能特點(diǎn) 2007 年7 月8 日, 世界航空界的目光聚集在波音公司, 目睹美國(guó)飛機(jī)制造巨頭的首架波音787 夢(mèng)想客機(jī)的下線揭幕儀式。（美式寫法：07/08/07） 2009年12月15日，波音公司的革命性作品，被稱為“夢(mèng)想飛機(jī)”的波音787成功完成首飛。波音公司在研制波音787 客機(jī)的過程中, 大膽地采用了兩大高技術(shù)措施:全球數(shù)字 化協(xié)同制造和機(jī)體主要結(jié)構(gòu)大規(guī)模采用 復(fù)合材料, 在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況大致可 以分為三個(gè)階段： 第一階段是應(yīng)用于受載不大的簡(jiǎn)單零部件，如各類口蓋、舵面、整流罩、雷達(dá)罩、阻力板、起落架艙門等，據(jù)統(tǒng)計(jì)可減重20%左右。 第二階段是應(yīng)用于承力

2、大的部件，如安定面、全動(dòng)平尾、前機(jī)身段、機(jī)翼等，據(jù)估計(jì)可減重25%30%。 第三階段是應(yīng)用于復(fù)雜受力部位，如機(jī)身段、中央翼盒等，據(jù)估計(jì)可減重30%。787飛機(jī)采用復(fù)合材料減重將達(dá)50%。 這種飛機(jī)和現(xiàn)今同等大小的飛機(jī)相比, 能夠節(jié)省燃油20 %, 在如今燃油價(jià)飛漲階段, 這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)航空業(yè)界有著不言而喻的意義, 并且維修成本可節(jié)省30 %, 飛行的舒適性也有很大提高。 碳素層板是一種由多層碳素纖維經(jīng)聚合物灌注而成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。在787上，碳素層板結(jié)構(gòu)由碳絲組成的帶子經(jīng)樹脂（類似黏膠）灌注而成。這些薄層再堆疊起來以獲得所應(yīng)用結(jié)構(gòu)需要的厚度和形狀，并通過持續(xù)數(shù)小時(shí)的高溫高壓工藝成型。層合板亦稱層壓

3、板(laminate)、疊層板或?qū)嵭膶訅喊?solid laminate)、整體層壓板(monolithic laminate)。層合板可制成多種結(jié)構(gòu)形式，并可采用多種工藝方法成形，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，因此在航空航天飛行器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分普遍。層合板是層合結(jié)構(gòu)的基本元素。層合結(jié)構(gòu)系指經(jīng)過適當(dāng)?shù)闹圃旃に?，如共固化、二次膠接、機(jī)械連接等，主要由層合板形成的具有獨(dú)立功能的較大的三維結(jié)構(gòu)，如翼面結(jié)構(gòu)的梁、肋、壁板、盒段，機(jī)身側(cè)壁以及飛行器部件等。層合板設(shè)計(jì)是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)工作之一，也是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特有的工作內(nèi)容。層合板設(shè)計(jì)主要包括選取合適的鋪層角，確定各鋪層角鋪層的百分比和鋪層順序三方面內(nèi)

4、容。 碳素夾心板是一種特殊級(jí)別的復(fù)合材料，通過將兩層纖薄硬質(zhì)蒙皮附著在蜂巢版的輕質(zhì)厚核心層上制造而來。核心層材料通常為低強(qiáng)度材料，但其較大的厚度可以為夾心板復(fù)合材料提供高抗彎性，同時(shí)保持 整體低密度。 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子膠接而成。一般面板采用強(qiáng)度和剛度比較高的材料，芯子采用密度比較小的材料，如蜂窩芯、泡沫芯、波紋板芯等。夾層結(jié)構(gòu)具有重量輕，彎曲剛度及強(qiáng)度大，抗失穩(wěn)能力強(qiáng)，耐疲勞，吸音，隔熱等優(yōu)點(diǎn)，因此在飛行器結(jié)構(gòu)上得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)結(jié)構(gòu)高度大的翼面結(jié)構(gòu)，蒙皮壁板（尤其是上翼面壁板）采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)取代加勁板，能明顯減輕重量；對(duì)于結(jié)構(gòu)高度小的翼面結(jié)構(gòu)，如操縱面，采用全

5、高度夾層結(jié)構(gòu)代替梁肋式結(jié)構(gòu)，能帶來明顯的減重效果。以復(fù)合材料層合板為面板的夾層結(jié)構(gòu)，由于材料的相容性，目前普遍采用Nomex蜂窩芯子。 膠粘劑將面板和芯子膠接成整體，傳遞面板和芯子之間的載荷；芯子支持面板承垂直于面板的壓縮應(yīng)力，并能防止面板發(fā)展軸壓引起的屈曲，此時(shí)芯子承受壓縮和剪切載荷。 其他復(fù)合材料由多種材料組成，這些材料被組合起來時(shí)，具有某些優(yōu)勢(shì)性的結(jié)構(gòu)屬性。787上這類材料的例子包括玻璃纖維、玻璃/碳素合成物等。 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都

6、頗具優(yōu)勢(shì)。 由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料 碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)： 1、高強(qiáng)度（是鋼鐵的5倍） 2、出色的耐熱性(可以耐受2000以上的 高溫) 3、出色的抗熱沖擊性 4、低熱膨脹系數(shù)(變形量小) 5、熱容量?。ü?jié)能） 6、比重?。ㄤ摰?/5） 7、優(yōu)秀的抗腐蝕與輻射性能波音787也被稱為“準(zhǔn)日本產(chǎn)機(jī)”三大件中國(guó)制造 碳纖維屬高新技術(shù)、高附加值產(chǎn)品，具有廣泛的用途和良好的發(fā)展前景。碳纖維是一種可以形成龐大產(chǎn)業(yè)帶的基礎(chǔ)產(chǎn)品，并隨其成本的降低而在金屬、陶瓷、玻纖等材料的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)因其高科技含量，又可在一定時(shí)期形成相對(duì)壟斷產(chǎn)品。 目前, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)主要集中于復(fù)合材料的制備與工藝優(yōu)化以及復(fù)合材料及結(jié)構(gòu) 的損傷破壞和承載能力分析等領(lǐng)域。另一方面研究開發(fā)有