民用航空器用新材料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

民用航空器用新材料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)

1緒論1.1研究背景飛機(jī)的發(fā)展取決于材料的進(jìn)步，而這些材料一旦在飛機(jī)生產(chǎn)業(yè)中運(yùn)用，這又對(duì)于該材料的創(chuàng)新和研發(fā)十分有利。如上個(gè)世紀(jì)三十年代機(jī)體全部為金屬的飛機(jī)被人們發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造出來(lái)，因其飛機(jī)材料本身幾乎全部采用高強(qiáng)鋁合金，從而這時(shí)加速了鋁工業(yè)的飛速發(fā)展。在二十世紀(jì)五十年代鈦合金的問(wèn)世，也同樣與飛機(jī)的發(fā)展緊緊相關(guān)。民航客機(jī)所使用的材料種類眾多。在這中間涉及新型材料的也有很多。當(dāng)今最具代表性的就是金屬系復(fù)合材料、結(jié)晶控制合金、陶瓷系材料和樹(shù)脂系復(fù)合材料。本篇文章只對(duì)于鈦合金材料和碳纖維復(fù)合材料作為民用客機(jī)的新型材料，所展開(kāi)的研究和發(fā)展進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1鈦合金在民航主流客機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀。在我國(guó)自主研制方面，我國(guó)自行研制的C919飛機(jī)的鈦合金材料，其占比達(dá)到了9.3%。C919已拿到的訂單截止2019年3月已經(jīng)超過(guò)850架，對(duì)應(yīng)C919的3332噸機(jī)身鈦合金材料的含量，假定鈦合金材料的損耗率為80%，C919截止目前的訂單量將會(huì)出現(xiàn)超過(guò)16660噸的鈦合金需求。我國(guó)研制的兩種飛機(jī)鈦合金材料用量情況如表1-1所示。表1-1兩種主流國(guó)產(chǎn)飛機(jī)的鈦合金用量情況機(jī)型鈦含量空寂重量/噸單機(jī)鈦含量/噸C9199.3%42.13.92ARJ214.8%24.961.2在其他國(guó)家方面，世界幾種民航主流機(jī)型及其用鈦所占機(jī)體重量的百分比情況見(jiàn)表1-2。由表1-2可見(jiàn)，在民航飛機(jī)中，表中最新型的飛機(jī)用鈦所占百分比為9％。雖然表中民航客機(jī)的用鈦比例比軍機(jī)還要低一些。根據(jù)民航客機(jī)的用途來(lái)說(shuō)，其的重量和體積都要大一些，每架民航飛機(jī)的用鈦量仍是不可小覷的。[1]

表1-2主流客機(jī)用鈦百分比公司飛機(jī)型號(hào)用鈦百分比波音B7575%B7779%B78711%空中客車A3205%A3306%A3406%A3809%已經(jīng)在強(qiáng)鈦基復(fù)合材料、Ti-A1金屬間化合物等耐熱鈦合金的開(kāi)發(fā)和利用方面現(xiàn)在已然取得了突破性的成就；目前，專家正在加大損害容限鈦合金的大型整體鍛件制作，以用來(lái)提升其鍛造、超塑型擴(kuò)散銜接等相關(guān)方面及對(duì)應(yīng)的配套裝備水平。1.2.2碳纖維復(fù)合材料在民航主流客機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀當(dāng)今世界上飛機(jī)制造大國(guó)研制的新型飛機(jī)的先進(jìn)性標(biāo)志之一就是其結(jié)構(gòu)的先進(jìn)，如今在波音787、空客A380及國(guó)產(chǎn)大型飛機(jī)C919結(jié)構(gòu)上使用碳纖維復(fù)合材料技術(shù)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性重要標(biāo)志。近些年我國(guó)逐步變?yōu)槭澜缟咸祭w維復(fù)合材料的最大生產(chǎn)國(guó)和主要使用國(guó)，這同時(shí)為國(guó)內(nèi)外碳纖維復(fù)合材料在民航客機(jī)制造的設(shè)計(jì)應(yīng)用和制造技術(shù)的積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，這同時(shí)也為我國(guó)民航客機(jī)用碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。建立碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、試飛體系，開(kāi)展跟蹤檢查，積攢數(shù)據(jù)，制訂相應(yīng)的設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范；按照型號(hào)須要，增強(qiáng)材料與設(shè)計(jì)、材料與制作之間的相關(guān)布局，而且要明晰優(yōu)先研發(fā)的材料和構(gòu)件及其制造技術(shù)。2選擇一般新型材料的統(tǒng)一要求及發(fā)展趨勢(shì)2.1選材的考慮因素本章節(jié)我們將對(duì)空客公司制造的空客A350XWB為例進(jìn)行探討。在2008年年末，空中客車公司對(duì)A350XWB制造過(guò)程中所用到材料的選擇才最終確定，可以說(shuō)基本格式已經(jīng)確定下來(lái)。它是在空客A380以及波音787選材方案確定下來(lái)之后實(shí)施的，A350XWB的選材方案既模仿了A380及波音787選材的一些成功經(jīng)驗(yàn)，又汲取了它們方案中的不足?？偟膩?lái)說(shuō)，空客公司為A350XWB選材目標(biāo)是避開(kāi)傳統(tǒng)材料的不足，充分利用現(xiàn)有新型航空材料的優(yōu)勢(shì)。在A350XWB飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料中：復(fù)合材料占53％，鋁鋰合金、鋁合金占19％，鈦合金占14％，鋼占6％，其余占8％。機(jī)翼蒙皮、桁條及翼肋、蒙皮、機(jī)身骨架、隔框及大梁，平尾及垂尾主要用復(fù)合材料制造而成。鋁和鋁鋰合金主要用作A350XWB的地板梁、翼肋及起落架艙門，而發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛、加強(qiáng)件以及起落架的應(yīng)用材料則只用鈦合金材料。圖2-1明確的可以清晰展示出空客A350XWB機(jī)體各部位新型材料所占比。[2]圖2-1空客A350XWB機(jī)體各部位新型材料所占比A350XWB的研制與空客公司以往機(jī)型不同，其主承力結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料應(yīng)用有原來(lái)的不到10%到現(xiàn)在的53%?？芍^迄今為止商用噴氣客機(jī)中復(fù)合材料用量之首。[3]2.2因溫度變化產(chǎn)生的差異民航客機(jī)的運(yùn)行環(huán)境及其復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)需要經(jīng)歷較大的溫度變化。例如在10000米以上，高空飛行時(shí)民航客機(jī)機(jī)體經(jīng)常面臨著-50℃左右的低溫環(huán)境，其高速飛行以及發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)熱會(huì)使客機(jī)局部結(jié)構(gòu)處于高溫狀態(tài)，溫度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)材料的裂紋擴(kuò)展性能有顯著的影響。為此，對(duì)于航空金屬材料的溫度是影響裂紋擴(kuò)展性能主要因素，遂大量開(kāi)展了研究，裂紋擴(kuò)展速率在高溫情況下加快，有利于材料的裂紋擴(kuò)展性能；然而，眾多學(xué)者對(duì)鋼材進(jìn)行的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)研究可以清晰的表示出，裂紋擴(kuò)展速率的加快不一定隨著溫度的升高而出現(xiàn)規(guī)律，說(shuō)明高溫情況下對(duì)金屬材料裂紋擴(kuò)展性能的影響可能會(huì)由于其他因素而變化。此外，應(yīng)力比、取樣方向和微觀組織、熱處理狀態(tài)、腐蝕環(huán)境等多種因素的影響這個(gè)金屬材料裂紋擴(kuò)展性能。之所以鋁合金材料而廣泛運(yùn)用于航空領(lǐng)域，是因?yàn)橐蚱渚哂袃?yōu)秀的抗腐蝕性能和良好的力學(xué)性能。目前，在缺乏裂紋擴(kuò)展性能的溫度效應(yīng)的系統(tǒng)研究，溫度-載荷交互作用對(duì)裂紋擴(kuò)展過(guò)程的影響機(jī)制尚待進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。[4]2.3更換前后產(chǎn)生的成本差異復(fù)合材料車身結(jié)構(gòu)由于其缺陷和損傷會(huì)大大降低結(jié)構(gòu)的承載能力。飛機(jī)在飛行過(guò)程中，可能會(huì)遇到鳥(niǎo)撞、冰雹、意外撞擊等許多意想不到的情況，容易對(duì)機(jī)身造成結(jié)構(gòu)性損傷。為了保證受損結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)的正常使用，恢復(fù)受損結(jié)構(gòu)的功能和完整性，確保其可靠性和安全性是非常必要的，重要的途徑是實(shí)施相應(yīng)的修復(fù)措施。除了關(guān)注使用復(fù)合材料帶來(lái)的飛機(jī)減重經(jīng)濟(jì)效益。民用飛機(jī)和航空公司也擔(dān)心與使用復(fù)合材料相關(guān)的維護(hù)成本。[18]維修成本約占航空公司總運(yùn)營(yíng)成本的10-25%。如何控制和降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維修成本是航空公司非常關(guān)心的問(wèn)題之一。對(duì)于航空公司運(yùn)營(yíng)而言，維修成本影響較大的原因在于市場(chǎng)需求、投資回報(bào)等經(jīng)濟(jì)因素，維修成本也必須考慮在內(nèi)。復(fù)合材料飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越多地采用一體化設(shè)計(jì)思想。對(duì)于破損的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的直接更換，這種傳統(tǒng)的維修方式已經(jīng)不是很好的選擇。目前，人們對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維修投入了大量的研究工作，但對(duì)復(fù)合材料維修費(fèi)用的計(jì)算和討論的工作還很少。[5]2.4民航客機(jī)用新型材料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)今各國(guó)對(duì)于新材料研究十分注重，給出多項(xiàng)研究方法以促進(jìn)新材料技術(shù)的發(fā)展。以下發(fā)達(dá)國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)各具特征，而重點(diǎn)研究的方向各不相同:美國(guó)側(cè)重科技領(lǐng)域的研發(fā)，并保持全球當(dāng)先位置;日本既著重對(duì)新材料的研發(fā)，又不忘改良現(xiàn)有材料的技術(shù)參數(shù)，運(yùn)用有限的資源以發(fā)揮最大的用處;歐盟新材料科技戰(zhàn)略則保持在民航材料領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，以其跟其他發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)。[6]以飛機(jī)的“心臟”——發(fā)動(dòng)機(jī)為例。正是因?yàn)椴煌?yōu)化的航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能，這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的制作材料與制造技術(shù)提出了更高的質(zhì)量，各個(gè)民用航空體系發(fā)達(dá)的國(guó)家都投入了大量人力、物力和財(cái)力，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的材料和發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)更深化的研發(fā)，從而取得期望的結(jié)果，同時(shí)也達(dá)到了先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)。依據(jù)國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)的材料與制造水平的研究情況來(lái)看，對(duì)于加強(qiáng)新型材料與航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)工程化的研究是縮小航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)周期、增大研制投入產(chǎn)出比最有效的方式之一。[7]對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，未來(lái)的民用航空所使用的復(fù)合材料技術(shù)將順著高性能化、多功能化、低成本化而進(jìn)步，以其推進(jìn)新型材料應(yīng)用的更新?lián)Q代，這樣才能滿足接下來(lái)數(shù)年的客機(jī)生產(chǎn)需求?？偠灾?，民用航空客機(jī)的新型材料發(fā)展，總是沿著科研成果的路線逐漸向低成本率，高安全性的方向發(fā)展。這同時(shí)向我國(guó)的民航產(chǎn)業(yè)沿著利好發(fā)展的路線逐步推進(jìn)。[8]3鈦合金3.1鈦合金的主要性能特點(diǎn)鈦合金是耐腐蝕的低重量結(jié)構(gòu)材料，耐高熔點(diǎn)，例如1690℃，有著相對(duì)較低的彈性模量，耐高強(qiáng)度，耐疲勞和耐斷裂性，以及耐高溫，它具有良好的熱性能，熱膨脹系數(shù)低于鋼，鋁合金低于50%，熱傳導(dǎo)系數(shù)低，與其他高溫材料的化學(xué)相容性良好，優(yōu)異的耐腐蝕性和優(yōu)異的耐氧化性，限制鈦合金使用的主要問(wèn)題是鈦合金的密度高于鋁合金，成本相對(duì)較高（約為鋁或鋼的7倍）。3.2飛機(jī)鈦合金零件加工應(yīng)用措施探究航空工業(yè)十分重視原材料的使用以及提高空氣性能的技術(shù)研究和應(yīng)用。3.2.1拓寬鈦合金鑄件使用領(lǐng)域與其它零件相比，該鑄造方法具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，我們以圖3-1為例。一是鑄件尺寸準(zhǔn)確，表面比較光滑，粗糙度低；二是鑄件可以鑄造成復(fù)雜的形狀；提高了生產(chǎn)的靈活性和適應(yīng)性，增加了金屬原材料的使用量，研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)應(yīng)放在提高鈦合金的抗拉強(qiáng)度上。近年來(lái)，我國(guó)鈦合金精密成形技術(shù)的發(fā)展速度加快。由于對(duì)鈦合金飛機(jī)部件的需求量很大，我國(guó)鈦合金飛機(jī)部件的成型率相對(duì)較低，降低了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期，達(dá)到了批量生產(chǎn)的目的。[9]圖3-1斜撐式超越離合器3.2.2降低研制成本根據(jù)高性能激光涂層和快速成型技術(shù)，激光成型技術(shù)廣泛應(yīng)用于鈦合金粉末，該粉末由高能激光束熔化，并以小滴的形式在基底上凍結(jié)。如圖3-2、鈮、鉬、鈦合金制造所需部件的計(jì)算機(jī)控制、層壓積累和最終建模、鈦合金結(jié)構(gòu)的總體性能以及部件重量的顯著降低等。釩和鈦合金的其他元素成本較高，導(dǎo)致原材料成本較高。用Fe代替Nb、Mo和V等元素不僅要確保材料性能，而且要花費(fèi)很高的費(fèi)用。同時(shí)也有效降低了鈦合金樹(shù)脂的成本。[10]圖3-2飛機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖3.3鈦合金在空客飛機(jī)上的應(yīng)用例如A350XWB。除B787外，A350XWB是目前世界上使用復(fù)合材料最廣泛的飛機(jī)。由于鈦合金與復(fù)合材料相容性好，其使用量隨著復(fù)合材料的增加而增加。2005年，A350計(jì)劃使用40%的復(fù)合材料和9%的鈦合金；2007年，在B787的壓力下，A350XWB將使復(fù)合材料的消耗量增加到52%，同時(shí)鈦合金的消耗量在14%以上。表3-1A350與A350XWB機(jī)體所用各種材料占比鈦合金復(fù)合材料鋁鋰合金鋁合金鋼其他A3509%40%20%11%14%6%A350XWB14%52%20%0%7%7%與A380一樣，A350XWB飛機(jī)采用鈦合金作為吊掛的主結(jié)構(gòu)，且加大了著陸結(jié)構(gòu)中鈦合金的消耗。鈦合金也用于活塞、轉(zhuǎn)向架、扭臂、側(cè)支架等（見(jiàn)圖3-3）。鈦合金具有良好的耐熱性和耐腐蝕性，重量輕，可靠性高，維護(hù)成本低。圖3-3吊掛主結(jié)構(gòu)在A350XWB飛機(jī)上，鈦合金已經(jīng)取代了許多傳統(tǒng)的鋁合金結(jié)構(gòu)，如加強(qiáng)桿，這些連接件在安裝后也可以調(diào)整到正確的位置，這樣在裝配過(guò)程中孔就可以簡(jiǎn)單地切割和無(wú)誤差，鈦合金比復(fù)合材料更容易發(fā)生這種損傷，鈦合金容易用鈦合金材料和復(fù)合門框構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)，方便后用鈦合金作為上筋、門延伸部分和門下筋的結(jié)構(gòu)材料此外，A350鈦合金還用作機(jī)翼結(jié)構(gòu)、座椅靠背、后錐、防火墻APU座艙等。[3]3.4鈦合金材料在民用航空客機(jī)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)減小是大規(guī)模使用鈦合金在民用航空器中的主要驅(qū)動(dòng)力之一，它直接決定航空器的總成本，其密度比同樣強(qiáng)度的鋼低40%。高強(qiáng)度鋼可以減小許多重量，例如能夠取代發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓縮機(jī)盤和葉片鋼的鈦Ti-6Al-4V和能夠取代30CrMnSiA鋼的Ti-10V-2Fe-3Al。例如A300和A310/320前端層層壓體，滾動(dòng)機(jī)構(gòu)蓋減小重量10%，A330和A340機(jī)翼維護(hù)覆蓋物等，駕駛艙頂?shù)龋梢詼p小重量46%，并具有很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。[11]在民用航空器上使用鈦合金的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，該合金超出了容積極限，而且，雖然有效載荷量很大，但鋁合金受到結(jié)構(gòu)空間的限制。高強(qiáng)度鈦合金已成為理想材料。在波音飛行器中，大型鈦鍛造元件被用于減少結(jié)構(gòu)體積，例如波音757和747的起落架。底盤是連接機(jī)翼底盤和后梁的元件。然而，由于裝卸負(fù)荷高，鋁合金必須大規(guī)模制造，因此很難在機(jī)翼上包裝，因此鈦合金更合適。[12]鈦合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，廣泛用于其腐蝕性很強(qiáng)的領(lǐng)域，大多數(shù)情況下不會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，鈦合金可以代替鋁合金連接座椅和地板。隨著碳纖維化合物的廣泛使用，鈦合金與碳纖維化合物之間的兼容性正在變得越來(lái)越重要。3.5我國(guó)民航用鈦合金材料發(fā)展趨勢(shì)在我們民用飛機(jī)的開(kāi)發(fā)中，越來(lái)越強(qiáng)調(diào)材料的經(jīng)濟(jì)和安全。但鈦合金材料不符合再利用標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。因此，可以用鋁合金材料代替鈦合金材料。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，鈦合金的制造技術(shù)和材料也將會(huì)持續(xù)發(fā)展。這將慢慢降低它的成本，從而滿足民用航空業(yè)發(fā)展的基本要求。目前，鈦合金工業(yè)應(yīng)特別注意高性能鈦合金材料的研究，分析目前使用的鈦合金的強(qiáng)度，以查明問(wèn)題和發(fā)展方向。如合金鋼等材料及其持續(xù)的良好整合性能，在此基礎(chǔ)上，跟蹤工作可以滿足航空航天材料大批生產(chǎn)的要求。因?yàn)槠浼夹g(shù)發(fā)展有限，要廣泛用于軍事和其他目的，有關(guān)技術(shù)人員還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)合金研發(fā)技術(shù)的研究且進(jìn)一步發(fā)展。[13]最后，由于鈦合金材料成本相對(duì)較高，且因其原料成本相對(duì)較高，這對(duì)進(jìn)一步應(yīng)用的擴(kuò)展具有適當(dāng)?shù)挠绊?。但是，如果制造成本顯著降低，那么鐵元素可以被用作選擇鈦合金原料之一，同時(shí)，技術(shù)人員必須更加重視材料的選擇和生產(chǎn)要求，而這些材料的選擇和生產(chǎn)要求是以這些材料為基礎(chǔ)的。當(dāng)然可以保證鈦合金材料的性能。4碳纖維復(fù)合材料4.1碳纖維復(fù)合材料的特性碳纖維材料具有高強(qiáng)度、高模量等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，是設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)的首選材料。4.1.1碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異特性碳纖維復(fù)合材料具有比傳統(tǒng)金屬材料更高的比強(qiáng)度和比模量，從而大大降低了飛機(jī)的質(zhì)量。減少重量?jī)r(jià)值小型民機(jī)約為8000元/公斤；減少重量?jī)r(jià)值先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)約為64000元/公斤；減少重量?jī)r(jià)值商業(yè)運(yùn)輸飛機(jī)約為128000元/公斤；減少重量?jī)r(jià)值航天飛機(jī)約為8000美元/公斤。每公斤480萬(wàn)元。4.1.2各向異性和可設(shè)計(jì)性飛行器結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)主要使用一種通過(guò)單向預(yù)浸漬層壓固化的層壓結(jié)構(gòu)，該復(fù)合材料在纖維方向上的性能與垂直纖維的性能有很大差別。結(jié)構(gòu)要同時(shí)達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo)。[14]4.1.3耐疲勞性能和耐高溫性能好耐久性和耐損傷性是航空器結(jié)構(gòu)完整性的重要組成部分。金屬材料通常對(duì)疲勞敏感，耐疲勞性在疲勞期間顯著降低。而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中纖維和基材的界面有效地抵抗疲勞裂縫的特定膨脹。電荷快速再分配并由未裂縫纖維支撐，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的熔點(diǎn)為3650°C，測(cè)試結(jié)果顯示，高溫強(qiáng)度和彈性模塊得到改進(jìn)，并且具有良好的抗蠕變性。碳還具有良好的模塑工藝、良好的沖擊緩沖能力、低導(dǎo)電性、對(duì)濕熱環(huán)境的敏感性和其他優(yōu)點(diǎn)。[14]4.2民航客機(jī)鉆削加工缺陷形成的原因4.2.1毛刺形成的原因在鉆探過(guò)程中，由于纖維層不受壓力，所以材料的外側(cè)通過(guò)鉆頭向外推進(jìn)的軸向力從襯底中分離出來(lái)。當(dāng)纖維在尖角切割時(shí)，纖維不容易切割，從而導(dǎo)致毛刺缺陷。同時(shí)，刀具的連續(xù)磨損使切割刀片無(wú)法立即切割纖維，從而加速了毛刺缺陷的產(chǎn)生。4.2.2孔壁表面微裂紋的原因孔壁的微裂紋有兩個(gè)原因。第一，碳纖維材料本身的初始裂紋?？妆┞读丝妆诒砻娴牧鸭y，或微裂紋在鉆削過(guò)程中不間斷地延伸。第二，鉆削力分離了樹(shù)脂基片。將碳纖維粘結(jié)在一起，從而在孔壁表面上形成局部的層和微裂縫。4.2.3分層形成的原因消除污染是影響碳纖維材料性能的最嚴(yán)重缺陷，有三個(gè)主要原因造成這種層壓：首先，層壓主要是由于靜態(tài)和移動(dòng)負(fù)載下的法向正應(yīng)力。切削產(chǎn)生的垂直應(yīng)力影響到材料層的層間應(yīng)力，當(dāng)層間應(yīng)力超過(guò)碳纖維材料基體與纖維之間的粘合強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生層間應(yīng)力。碳纖維材料產(chǎn)生熱量，并且孔壁周圍的熱效應(yīng)導(dǎo)致分層。4.3由于疲勞強(qiáng)度因素而產(chǎn)生的碳纖維復(fù)合材料的損傷機(jī)理。材料本身的影響包括基體材料和纖維的種類、排列方式、增強(qiáng)構(gòu)件的體積百分比等。外部作用的影響包括荷載效應(yīng)、平均應(yīng)力效應(yīng)、多重電壓效應(yīng)、環(huán)境影響等。如圖4-1所示，不同基材的疲勞強(qiáng)度和環(huán)氧樹(shù)脂的疲勞特性基本上優(yōu)于其它材料，并且在同樣的循環(huán)應(yīng)力下，低模量材料的疲勞特性差于高模量材料的疲勞特性。圖4-1不同基體材料的疲勞強(qiáng)度單向碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度低，單向材料的耐壓能力低，交叉強(qiáng)度低。碳纖維增強(qiáng)基體構(gòu)件體積越大，疲勞極限越高，裂紋擴(kuò)展速率越低，疲勞時(shí)間越長(zhǎng)。纖維材料的彎曲強(qiáng)度大于軸向疲勞強(qiáng)度。[15]4.4飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。4.4.1較低的國(guó)產(chǎn)化中國(guó)的碳纖維研究與開(kāi)發(fā)始于1960年。盡管研究周期很長(zhǎng)，但軍用煤炭纖維和民用煤炭纖維都沒(méi)有產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果。由于發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)行的技術(shù)封鎖，從未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的目標(biāo)，只有少數(shù)加工廠而且還需在日常管理中來(lái)直面來(lái)自各個(gè)方面施加壓力。對(duì)我國(guó)先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，以及在民航業(yè)的發(fā)展，都產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。4.4.2工藝落后，自動(dòng)化和數(shù)字化水平低本章以樹(shù)脂基碳纖維飛機(jī)的結(jié)構(gòu)為例，介紹了傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝和改進(jìn)的機(jī)身工藝無(wú)需經(jīng)過(guò)特殊處理，可實(shí)現(xiàn)最有效的確認(rèn)，經(jīng)過(guò)合格的檢驗(yàn)之后，即進(jìn)入下一個(gè)過(guò)程。高溫壓力容器法施工，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，設(shè)備成本高，能耗高，高成本的復(fù)合材料增強(qiáng)了對(duì)高溫環(huán)境的壓力。[16]碳纖維的生產(chǎn)不需要支付生產(chǎn)成本，生產(chǎn)工藝過(guò)時(shí)復(fù)合材料的難易程度。加工后的廢料回收困難等等這類問(wèn)題亟待解決。4.5碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求碳纖維復(fù)合材料應(yīng)確保飛機(jī)的安全性、可靠性、性能、使用和維護(hù)。為了保證結(jié)構(gòu)的完整性，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、成本和制造工藝。碳纖維復(fù)合材料的特性應(yīng)考慮以下要求：（1）碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一般按許用荷載設(shè)計(jì)；（2）為了確定碳纖維復(fù)合材料的許用值，有必要研究環(huán)境對(duì)其性能的影響；（3）碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)應(yīng)低于同類金屬結(jié)構(gòu)；（4）碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)能靜電和電磁兼容，碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能全面。[17]4.6碳纖維復(fù)合材料在民用航空客機(jī)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與缺陷與其他碳纖維復(fù)合材料相比，碳纖維的自重較小。也可以依據(jù)不一樣的使用要求對(duì)其進(jìn)行處理。在該材料制成的成品計(jì)算重量時(shí)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與同等尺寸的部件相比，碳纖維材料的自重減輕了500公斤。顯然這更具有發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，可以減輕飛機(jī)等航空航天設(shè)備的重量，降低飛機(jī)使用過(guò)程中的油耗。雖然碳纖維的重量很小，但性能有所提高，它在使用過(guò)程中能承受高溫的沖擊，而且不易改變材料本身的化學(xué)性質(zhì)。穩(wěn)定地保證民航客機(jī)的飛行安全。此外，碳纖維材料還具有優(yōu)異的性能和強(qiáng)度，這是其他材料難以實(shí)現(xiàn)的，飛機(jī)在起飛階段需要更多的初始速度才能起飛，飛機(jī)在駕駛過(guò)程中也會(huì)承受大氣摩擦產(chǎn)生的壓力。因此，碳纖維在高溫環(huán)境中保持穩(wěn)定，其化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化。它適用于外層空間，可以保護(hù)飛機(jī)的安全。另外，由于碳纖維材料本身的性能，其使用受到環(huán)境因素的影響，會(huì)無(wú)法防止的會(huì)出現(xiàn)缺陷和損傷，在生產(chǎn)過(guò)程中碳纖維材料通常包括三個(gè)：制造缺陷，一種是碳纖維材料在預(yù)浸潤(rùn)過(guò)程中的缺陷，另一種是碳纖維材料的缺陷，如機(jī)身表面暴露的環(huán)境修復(fù)材料引起的劃傷、脫膠、分層、凹痕或穿透性損傷分層、表面燒蝕和閃電、濕膨脹和熱沖擊引起的分層和脫膠。[18]

5結(jié)語(yǔ)對(duì)于客機(jī)制造廠商在今后的新一代飛機(jī)更換新型材料，想必更清楚。要從飛行安全，原材料成本，維修難易度等多方面考慮。隨著時(shí)代的進(jìn)步，更多的復(fù)合材料和合金材料都“挖掘出來(lái)”，也隨著研究進(jìn)度而公之于眾。我相信，民航客機(jī)的機(jī)體材料也會(huì)向利好發(fā)展。對(duì)于民航客運(yùn)、貨運(yùn)在今后對(duì)我們國(guó)家的人民普及程度同時(shí)也會(huì)大大提高！

參考文獻(xiàn)[1]吳凱張鐵軍姚為韓維群.航天新型高性能材料的研究進(jìn)展[J].宇航材料工藝,2017(6):9-9.[2]陳亞莉.從A350XWB看大型客機(jī)的選材方向[J].航空制造技術(shù),2009(12):25-28.