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摘 要：碳纖維復(fù)合材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)是―個(gè)很大的話題，本文在上半部分試圖介紹其在商用飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙、直升機(jī)上的應(yīng)用，以及預(yù)浸料和液體成型工藝；下半部分試圖介紹膠膜、功能材料、航空復(fù)合材料的發(fā)展趨勢。
1 復(fù)合材料在商用飛機(jī)上的應(yīng)用
自復(fù)合材料誕生起，其輕質(zhì)高強(qiáng)的性能就和航空航天飛行器結(jié)下了不解之緣，自上世紀(jì)40年代開始，復(fù)合材料就被用于軍用飛機(jī)的修補(bǔ)。隨著材料結(jié)構(gòu)性能的不斷提高和改善，復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料先在軍用飛機(jī)上得到了大量的使用。在積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)以后，自上世紀(jì)80年代起，復(fù)合材料也開始在商用飛機(jī)上得到逐步應(yīng)用。隨之而來的碳纖維革命，特別是中模量碳纖維性能的提高、技術(shù)的穩(wěn)定，使得碳纖維復(fù)合材料終被用于大型商用飛機(jī)的主結(jié)構(gòu)。以B787和A350為代表的大型商用飛機(jī)，其復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量中的占比已經(jīng)達(dá)到或超過了50％，大的商用飛機(jī)A380的翼也完全使用復(fù)合材料，這些都是復(fù)合材料在大型商用飛機(jī)上使用的里程碑。圖1為復(fù)合材料在商用飛機(jī)上使用的發(fā)展歷程。
目前，商用飛機(jī)上使用的復(fù)合材料大部分是碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料，也包括一些玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料，以及少量的特種基體樹脂復(fù)合材料。其應(yīng)用分為三個(gè)大類，即一級(jí)結(jié)構(gòu)材料、二級(jí)結(jié)構(gòu)材料和內(nèi)裝飾材料。
下面的三張圖表分別介紹了在商用飛機(jī)上各個(gè)結(jié)構(gòu)等級(jí)的復(fù)合材料部件。
實(shí)際上，中模量碳纖維的商品化為碳纖維復(fù)合材料在大型商用飛機(jī)上作為結(jié)構(gòu)件，特別是一級(jí)結(jié)構(gòu)件提供了可能。東麗的R00級(jí)材料、赫氏的M系列纖維成為這種應(yīng)用的典型代表。所以，制造的碳纖維如果要在航空應(yīng)用上有所突破的話，必須邁過中模量這道門檻。
2 復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙上的應(yīng)用
復(fù)合材料在商用飛機(jī)上的另一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域是在發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙，而發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，例如，GE90的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，則是這種應(yīng)用的典范。GE90葉片使用的是8551-7／IM7預(yù)浸料，通過熱壓罐工藝成型獲得，這種環(huán)氧中模量碳纖維預(yù)浸料具有極高的韌性和損傷容限，可以滿足葉片苛刻的性能要求。
發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料葉片的另一種制作工藝是使用3D碳纖維織物，用環(huán)氧樹脂灌注而成。這種技術(shù)充分利用了3D織物的特點(diǎn)，用其制得的復(fù)合材料具有低裂紋擴(kuò)展性、高能量吸收性以及耐沖擊、抗分層性能。即將用于C919客機(jī)的Leap-X1C即使用這種技術(shù)。
復(fù)合材料除了提供結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)以外，在發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙上的另―個(gè)貢獻(xiàn)是降噪。在B787的發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙上使用了一種降噪蜂窩，用其作為芯材、環(huán)氧預(yù)浸料作為蒙皮的夾層結(jié)構(gòu)起到了良好的降噪效果，使B787被譽(yù)為安靜的飛機(jī)，這也是B787的亮點(diǎn)之一。
下圖詳解了復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙上已經(jīng)應(yīng)用的―些復(fù)合材料部件。
3 復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用
國外復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)有了相當(dāng)長的歷史，并被譽(yù)為直升機(jī)的兩次技術(shù)飛躍之一，對此，歐洲一直走在的前列。在直升機(jī)上使用復(fù)合材料的歷史應(yīng)該從哈飛的海豚項(xiàng)目開始，至今已有30年的歷史。相對于商用飛機(jī)而言，復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用更廣泛，除機(jī)身、尾棵等結(jié)構(gòu)件以外，還包括槳葉、傳動(dòng)軸、高溫整流罩等對疲勞、濕熱性能有更高要求的部件。特別是復(fù)合材料槳葉的使用，把槳葉的使用壽命從金屬的2000小時(shí)提高到了復(fù)合材料的6000小時(shí)以上，甚至是無限壽命，并且兩者的制造成本幾乎相當(dāng)，因此使用復(fù)合材料取代金屬材料也成為必然。
在，直升機(jī)的傳統(tǒng)應(yīng)用是在軍事領(lǐng)域，數(shù)量非常少，以至于汶川地震時(shí)沒有足夠的直升機(jī)，特別是大型直升機(jī)用于救災(zāi)。根據(jù)發(fā)展的需要，未來10年，的民用直升機(jī)市場將會(huì)得到深度的開拓，AC系列的民用直升機(jī)也將形成。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，特別以碳纖維預(yù)浸料為主要原料的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)必將成為直升機(jī)結(jié)構(gòu)的主流。
根據(jù)新技術(shù)的發(fā)展以及直升機(jī)對復(fù)合材料性能的實(shí)際要求，赫氏對直升機(jī)各個(gè)部件的復(fù)合材料系列有個(gè)大致的推薦，具體的圖示如下。
4 復(fù)合材料在通用飛機(jī)上的應(yīng)用
相對于大型商用飛機(jī)而言，通用小飛機(jī)的結(jié)構(gòu)則簡單的多，有些小飛機(jī)的機(jī)身甚至可以使用玻璃纖維預(yù)浸料為蒙皮的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，而外翼的翼棵則可以使用單向碳纖維復(fù)合材料制造。生產(chǎn)工藝上，從節(jié)約成本考慮，較為普遍采用的是非熱壓罐工藝。由于小飛機(jī)機(jī)身的曲率半徑比較小，在制造蜂窩夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，往往采用工程蜂窩(engineering core)形式來制造夾層結(jié)構(gòu)件，即將蜂窩采用切削、熱定型等加工手段，針對不同的受力情況使用不同的蜂窩，加工成一個(gè)整體的芯材結(jié)構(gòu)，然后一次成型成夾層結(jié)構(gòu)部件的工藝。
另外，由于生產(chǎn)通用飛機(jī)的企業(yè)非常多，各企業(yè)不可能像波音空客那樣投入大量的人力、物力和財(cái)力來制定各自的材料規(guī)范，各原材料生產(chǎn)商也不希望看到每個(gè)客戶都使用自己的規(guī)范來采購。所以，為了統(tǒng)一材料標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在美國NASA的牽頭下成立了AGATE這樣一個(gè)組織，旨在為廣大的中小通用飛機(jī)復(fù)合材料部件制造者提供一個(gè)共享的數(shù)據(jù)庫。這個(gè)數(shù)據(jù)庫是免費(fèi)的，用戶可以使用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)來進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、質(zhì)量管理、適航認(rèn)證等。
目前，赫氏推薦用于通用飛機(jī)的環(huán)氧預(yù)潭料主要為M10R系列，產(chǎn)品包括標(biāo)準(zhǔn)模量的單向碳纖維預(yù)浸料、平紋和緞紋的碳纖維織物預(yù)浸料以及玻璃纖維預(yù)浸料等。
5 預(yù)浸料熱壓罐成型工藝
環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料有多種成型方式，包括預(yù)浸料熱壓釜、預(yù)浸料真空袋壓、RTM(樹脂傳遞模塑)、模壓、搓卷、手糊等，對于航空航天部件而言，目前常用的方法仍為預(yù)浸料熱壓罐工藝和RTM工藝，而熱壓罐成型工藝也成熟。
預(yù)浸料熱壓罐工藝的特點(diǎn)是部件質(zhì)量高、性能穩(wěn)定、產(chǎn)品重復(fù)性好，但人工鋪貼時(shí)勞動(dòng)量大、工時(shí)費(fèi)用高、效率低、管理難度大。可以想象的是，像A350外翼面板這樣大尺寸的復(fù)合材料部件是難以使用手工鋪貼的。所以，目前隨著產(chǎn)品的大型化，使用自動(dòng)鋪帶工藝和自動(dòng)鋪絲工藝已成為一種發(fā)展的必然。
現(xiàn)在，國外較為先進(jìn)的自動(dòng)鋪帶設(shè)備已經(jīng)向的商用市場開放，自動(dòng)鋪絲設(shè)備也會(huì)得到開放。當(dāng)然，對我國的航空復(fù)合材料工業(yè)而言，終解決問題，還需要自己的自動(dòng)鋪貼設(shè)備。
目前預(yù)浸料制作仍然使用溶劑法和熱熔法兩種工藝，但基于質(zhì)量穩(wěn)定性以及對預(yù)浸料物理性能指標(biāo)高精度控制的考慮，越來越多的預(yù)浸料使用熱熔法制造。在設(shè)備創(chuàng)新上，有些設(shè)備制造商已將傳統(tǒng)的兩步法生產(chǎn)串聯(lián)在一臺(tái)設(shè)備上，從而使得預(yù)浸料的生產(chǎn)更高效。當(dāng)然，針對航空業(yè)對質(zhì)量的要求，為了確保產(chǎn)品質(zhì)量的同一性和重復(fù)性，同時(shí)也是更好的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也有些大型企業(yè)采用廚房式的生產(chǎn)方式，將預(yù)浸料的樹脂膜集中生產(chǎn)，然后由各衛(wèi)星工廠生產(chǎn)預(yù)浸料。
在力學(xué)性能上，一級(jí)結(jié)構(gòu)材料對其的要求已基本確定，波音和空客的規(guī)范對此也提出了具體的要求。表1為赫氏適用于一級(jí)結(jié)構(gòu)材料的主要數(shù)據(jù)，其中M21系列是已被認(rèn)證的碳纖維環(huán)氧預(yù)浸料，M91系列是為下一代商用飛機(jī)準(zhǔn)備的材料。
6 液體成型環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料技術(shù)
毫無疑問，盡管預(yù)浸料熱壓罐成型方式得到的復(fù)合材料產(chǎn)品的性能比較穩(wěn)定，但制造成本相對而言卻是比較高的，并且由于鋪貼工藝的局限性，在制造大型、復(fù)雜的復(fù)合材料部件時(shí)受到了一定的限制。而將預(yù)浸料鋪貼制得的部件組裝成一個(gè)復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)又需要大量的連接件，這種結(jié)構(gòu)沒有充分發(fā)揮復(fù)合材料的特點(diǎn)，造成不必要的重量增加，這樣，就催生了液體成型工藝，即RTM成型工藝。
簡單的講，液體成型技術(shù)就是將樹脂注入到密封的模具中間，浸漬連續(xù)的、預(yù)先定型的增強(qiáng)材料，固化以后得到復(fù)合材料部件的一種工藝。由于樹脂工藝性能、材料浸漬性能的改進(jìn)和提高，浸漬工藝也已從單一的壓力注入(Pressure Injection)派生出真空灌注(Vacuum Infusion)等。當(dāng)然，模具的結(jié)構(gòu)形式也進(jìn)行了相應(yīng)的改變，產(chǎn)品的特點(diǎn)也有所不同。
和工業(yè)等級(jí)的真空灌注，例如大型風(fēng)力發(fā)電葉片的成型技術(shù)相比，航空用的液體成型技術(shù)在選材上有著根本的不同。除了優(yōu)異的力學(xué)性能外，航空產(chǎn)品還需要高穩(wěn)定性能，產(chǎn)品重復(fù)性好，尺寸精度高，并將每一克重量的性能發(fā)揮至極致。有時(shí)，針對某些部件的要求，還需要對某些性能進(jìn)行改性。
傳統(tǒng)上的被航空認(rèn)證的增強(qiáng)材料一般為碳纖維織物，使用的碳纖維包括3K、6K和12K等；織法包括單向、平紋、斜紋、緞紋等。一般在織物上面涂有特種粉末，例如環(huán)氧粉末等，用于液體成型前織物的熱定型。
在近的產(chǎn)品開發(fā)中，NCF(NON CRIMP FABRICS)多軸向織物得到了相當(dāng)?shù)闹匾暋＿@種材料除了更好的體現(xiàn)準(zhǔn)各向同性的性能外，纖維沒有卷曲，編織技術(shù)使得增強(qiáng)材料的鋪貼性能更好，同時(shí)，也適用于改性。例如，赫氏使用一種被稱作為Interleaf的技術(shù)，在多軸向織物上植入增韌材料，從而有效地提高了復(fù)合材料的韌性，和沒有使用Interleaf技術(shù)的增強(qiáng)材料相比，標(biāo)準(zhǔn)模量的碳纖維復(fù)合材料的CAI(compress after impact)普遍可以提高30％左右，而復(fù)合材料的濕熱性能沒有任何影響。同時(shí)，基體樹脂的工藝性能也得到了很大的改善，典型產(chǎn)品包括赫氏的RTM6和氰特的Cycom890等。
以RTM6為典型產(chǎn)品的早先的液體成型樹脂一般為單組份產(chǎn)品，由于其需要冷凍運(yùn)輸，并且危險(xiǎn)性較高，為航空運(yùn)輸所禁止，所以，極大地制約了這種產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。為此赫氏通過長期研究，開發(fā)了命名為RTM6-2的雙組分液體成型樹脂，該產(chǎn)品分為A和B兩個(gè)組分，可以常溫運(yùn)輸和儲(chǔ)存，大大方便了用戶的使用。目前，該產(chǎn)品已成為液體成型技術(shù)常用的產(chǎn)品之一。
液體成型技術(shù)基本的工藝是將增強(qiáng)材料先基本定型為部件的形狀(對于簡單部件也可以不需要預(yù)定型)，然后把加熱至一定溫度的樹脂經(jīng)壓力灌注人模腔，加溫固化而成。所以，先需要關(guān)注的是熱定型的粘結(jié)材料的問題，包括定型溫度和環(huán)氧樹脂的相容性，對復(fù)合材料終性能的影響等。同時(shí)織物的質(zhì)量也對增強(qiáng)材料的預(yù)定型起著至關(guān)重要的作用。
單組份樹脂的灌注比較簡單，只需按工藝參數(shù)實(shí)施加溫、加壓即可。而雙組分的工藝相對復(fù)雜，還需要考慮組分混合中的重量控制、混合的均勻程度等問題，這些一般由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)完成。
除了材料和工藝以外，使用液體成型工藝制作部件成功與否的關(guān)鍵是模具的設(shè)計(jì)，特別是注入孔、道出孔的位置、密封材料的設(shè)置等，這需要長期經(jīng)驗(yàn)的積累。以下是兩種液體成型工藝的示意圖。
目前，使用液體成型技術(shù)制造的復(fù)合材料部件已經(jīng)作為結(jié)構(gòu)材料服役于許多大型商用飛機(jī)。龐巴迪CRJ系列的副翼和襟翼使用了RTM工藝制造，不僅節(jié)省了大量的勞動(dòng)力成本和材料，而且減少了許多傳統(tǒng)的組裝工作。例如，對于NextGen支線飛機(jī)而言，其副翼的零部件數(shù)量減少了80％。襟翼的零部件數(shù)量減少了95％。
另一個(gè)成功的例子是某一支線飛機(jī)的垂尾，其使用Hexforce®的多軸向碳纖維織物和Hexflowp®RTM6樹脂一次注入成型制造。該部件在選材上使用了多軸向碳纖維織物，解決了雙向材料在力學(xué)設(shè)計(jì)上的缺陷。一次注入成型體現(xiàn)出了工程師在模具設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝參數(shù)確定等諸多方面的能力和經(jīng)驗(yàn)。
即使在A380和B787等大型商用飛機(jī)上，也能見到液體成型復(fù)合材料部件的身影，例如，用于制造―些活動(dòng)面、副翼棵、門鉸鏈等。