碳纤维复合材料在轻型运动飞机结构中的应用

李群芳

摘要：由于碳纤维复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、比模量高以及尺寸稳定等优点被广泛地运用到了飞机制造业中。当前全世界几乎有超过50%的大型客机已经采用了这种新型材料，但是将该材料在轻型运动飞机结构中运用还处于初步阶段。本文笔者主要从轻型运动飞机的概述入手；探讨了当前我国碳纤维复合材料的发展现状；最后就碳纤维复合材料在轻型运动飞机结构中的应用进行了简单的探讨，希望为相关领域的研究者和工作者提供参考。

关键词：轻型飞机；碳纤维复合材料；应用分析

当前，轻型运动飞机在国外的发展速度较快，但是在我国依然处于刚刚起步的阶段。因此在制造过程中如何才能降低轻型飞机的制造成本成为了当前制造轻型运动飞机的关键问题。根据西方发达国家制造轻型运动飞机的经验来看，采用碳纤维复合材料是当前降低轻型运动飞机构造成本的有效途径之一，因此研究碳纤维复合材料在轻型飞机结构中的应用具有重要意义。

1.轻型运动飞机的概述

轻型飞机顾名思义就是飞机的重量轻、体积小。轻型运动飞机最初在2004年美国联邦航空局按照民航提案的相关要求新推出的一个飞机种类。该类飞机满足以下要求：①最大起飞重量为600kg（陆地起降型）_—650kg（水上起降型）；②最大平分空速不能大于222km/h；③失速速度要低于83km/h；④既可以单座也可以是双座；⑤装配有不可收放式起落架；⑥螺旋桨可以采用固定桨距也可以采用地面可调桨距；⑦配备的驱动装置一般是发动机或者活塞发动机1]。

2.当前我国碳纤维复合材料的发展现状分析

当前工业上使用的碳纤维主要是以聚丙烯腈、人造丝或者是木质作为原料，并将有机纤维和塑料树脂进行结合在高温的作用下经过碳化最终形成的，但是其制取方法不能直接使用碳和石墨。根据相关资料显示：当前全世界的碳纤维产能共计约为3.5万吨，然而中国市场每年的需求量约为6500吨，由此可以看出我国是一个碳纤维消费大国。但是我国不管是在碳纤维的制造水平上还是在碳纤维的应用技术上都跟国外先进技术还存在的很大的差距。在2007年，我国的碳纤维的产量仅仅在200吨左右，并且绝大部分都被运用到了低性能的产品上，究其主要原因是目前我国企业依然还没有掌握碳纤维相关的核心技术，从而导致了我国的碳纤维在质量上、生产技术上以及生产规模上都跟西方国家还有很大差距，很大部分高性能的增强材料都是通过进口的方式来获得，并且通常成本都较高。缺乏创新与集成和对应用领域的扩展不足，在很大程度上制约着我国碳纤维复合材料工业的不断发展。在充分意识到当前我国的高性能碳纤维复合材料还远远不能满足我国经济的快速、健康和可持续发展的需要后，相关部门制定各项措施组织实施高性能纤维复合材料高技术产业化专项项目，主要是重点支持我国高性能碳纤维复合材料的生产技术发展，从而满足我国当前经济发展以及航空产业的不断发展。

3.碳纤维复合材料在轻型运动飞机结构中的应用

当前，碳纤维复合材料因为自身独特、卓越的性能特点被广泛运用在航空领域，特别是在飞机制造业中运用广泛。根据相关资料显示：当前碳纤维复合材料在直升飞机和小型飞机中使用已经达到了70%—80%，然而在轻型运动飞机中的应用还不到5%主要在以下两个方面：

3.1碳纤维树脂基复合材料在轻型运动飞机结构中的应用

由于碳纤维增强树脂基复合材料具有质量轻等突出优点，且该材料对重量、疲劳特性以及刚度方面的要求相对严格，在温度高、化学稳定性高的环境下更适合使用。当前碳纤维增强树脂基复合材料已经成为武器装备的主要生产材料。當前美国军用飞机的AV—8B改型“鹞”式飞机很多结构都采用了这种复合材料，其中飞机的机翼、机前身等部位都使用的是石墨环氧大型部件，从整个飞机的结构来看，使用碳纤维材料几乎达到了整个飞机重量的26%，从而不仅减轻了飞机的机重，还提高了飞机的有效荷载比。据显示：如果将飞机的前身段构造采用碳纤维复合材料跟金属结构相比质量最少减轻30%左右。当前随着对碳纤维复合性材料的研究逐渐深入，该材料逐渐被运用到微型飞机的结构设计中，很多国外轻型运动飞机和无人驾驶飞机已经基本上实现了结构的复合材料化。例如：将轻型运动飞机大约25%重量的部件采用复合材料，其中几乎约22%就是采用碳纤维增强塑料。因为该种材料具有减轻重量和不容易出现疲劳或者被腐蚀等性能，能够有效降低轻型运动飞机的油耗和排放。跟直接竞争机型相比，轻型运动飞机的燃油经济性要低13%左右，有效降低了轻型飞机构造的成本[2]。

3.2碳/碳复合材料轻型运动飞机结构中的应用

碳/碳复合材料主要指的是将碳纤维以及碳纤维制品作为增强材料的复合型材料。由于碳/碳复合材料的组成元素只有碳元素一种，所以碳/碳复合材料具有碳和石墨材料共同的优点，如：碳/碳复合材料的密度较低、导热性能好，也就是碳/碳复合材料拥有高的热导率和低热膨胀系数，从而能够有效承受很高的温度和较大的加热速率，能够有效的对抗热冲击，就算在温度高和超高的环境中也不能改变碳/碳复合材料的高强度、模量以及高化学的性质。碳/碳复合材料凭借自身质量轻、难以融化的优点，被广泛地运用到了航空航天事业中。例如：在轻型飞机轨道的鼻锥和机翼的前缘部分就采用的是碳/碳复合材料。除此之外，当前还将碳/碳复合材料这种材料用于轻型飞机的刹车片，由这种材料制成的刹车片不仅质量轻、摩擦系数稳定、抗热冲击性好，还具有可设计强、操作方便以及使用寿命长等优点，除此之外，碳/碳复合材料也可以被运用到轻型飞机中一些发热元件、紧固件、涡轮发动机的叶片以及内燃机活塞等等。

3.3总结

综上所述，我国在发展碳纤维复合材料做出了不懈努力，并且经过多年的不懈努力，所取得的成效和进步也是巨大的，虽然当前碳纤维复合型材料应用在轻型运动飞机中还处于初步的阶段，在一些制造工艺和制造技术上还有待进一步完善，但是笔者相信，只要我们坚持不懈，一定会开拓出碳纤维复合材料运用的新天地。

参考文献：

[1]杨乃宾，章怡宁.复合材料飞机结构设计[J].航空工业出版社，2002（11）： 67-80.

[2]燕瑛，任成明.行器复合材料结构设计制造与分析技术的发展[J].航空制造技术，2007（12）：64-67.