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碳纖維作為航空器的結(jié)構(gòu)材料

2022-10-18

在大型先進(jìn)飛機(jī)中，碳纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料(CFRP)被廣泛用作主承力結(jié)構(gòu)材料。且在研制成功的航空器中，CFRP也被用做結(jié)構(gòu)材料。

20世紀(jì)70年代中期的石油危機(jī)是碳纖維應(yīng)用于飛機(jī)制造的直接原因。為緩解能源危機(jī)，當(dāng)時(shí)的美國(guó)政府啟動(dòng)了“飛機(jī)節(jié)能計(jì)劃(AircraftEnergy Efficiency Program)”?，F(xiàn)代飛機(jī)機(jī)身采用鋼、鋁、鈦等金屬和復(fù)合材料制成。為節(jié)約燃油和提高運(yùn)營(yíng)效益，減輕機(jī)身質(zhì)量一直是飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)中的核心挑戰(zhàn)之一。而CFRP在飛機(jī)機(jī)身制造上的成熟應(yīng)用為減輕飛機(jī)機(jī)身質(zhì)量提供了最有效的途徑。例如，以金屬材料為主制成的波音767飛機(jī)(CFRP用量?jī)H占3%)機(jī)身質(zhì)量為60 t，而將CFRP用量提升到50%時(shí)，新型波音767飛機(jī)機(jī)身質(zhì)量下降到48 t，僅此就極大地提升了該型飛機(jī)的能源和環(huán)境效益。

波音777X型飛機(jī)和波音787型飛機(jī)，機(jī)身復(fù)合材料的用量都達(dá)到了50%。波音777X型飛機(jī)是波音公司以波音777飛機(jī)為基型，正在開發(fā)的一種大型雙引擎客機(jī)，首架飛機(jī)于2020年交付投入運(yùn)營(yíng)。波音777X飛機(jī)的主翼由CFRP制成，其翼展長(zhǎng)約72m(235英尺)，是目前客機(jī)中翼展最長(zhǎng)的機(jī)型之一。翼展越長(zhǎng)，升力越大，因此，波音777X的單座燃油消耗和運(yùn)營(yíng)成本都非常有競(jìng)爭(zhēng)力。

此外，CFRP機(jī)翼不僅強(qiáng)度高、柔性好，且末端可折疊，這樣多數(shù)機(jī)場(chǎng)都能滿足其寬翼展的停機(jī)需求。波音787飛機(jī)的主翼和機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)都采用日本東麗公司(Toray Industries, Inc.)TORAYCA®品牌的碳纖維預(yù)浸料制造。

2016年8月17日，英國(guó)研制的“空中之戀10號(hào)(Airlander 10)”大型飛艇完成了其處女航。這架飛艇是一種輕于空氣的航天器，被設(shè)計(jì)用來執(zhí)行偵察、監(jiān)視、通信、貨物與救援物資的運(yùn)輸，以及乘客交通等。該飛艇采用日本可樂麗(Kuraray)公司生產(chǎn)的聚芳酯(Vectran)織物作蒙皮，蒙皮內(nèi)充滿了帶壓氦氣;其形狀結(jié)構(gòu)材料采用CFRP，最大化地減輕了飛艇自身質(zhì)量。無人值守的情況下，該飛艇一次可最長(zhǎng)在空中漂浮5天。