在航空飛機中，降低燃油燃料消耗提高續(xù)航里程是最為直接直觀需要解決的需求，通過改變機體結構材料成為了非常好的方案，在整個的航空飛機中就涌現了多種復材替代金屬制品的現狀，那本文我們將解讀關于航空飛機材料的演變史以及飛機機體結構以及發(fā)動機結構上應用碳纖維復材的解讀。
航空飛機結構采用的演變史
通過材料的改變從而實現飛機的輕量化，從鋼到合金再到復合材料的應用，航空飛機結構走過了漫長歲月，現如今大批量的民用軍用飛機上都有了復材的身影。波音787飛機機身到主結構中就應用了大量的復合材料。早在波音777中復合材料就替代了大量的鋁鎂合金，比如777復合材料尾翼比767的鋁制尾翼大25%，但所需的計劃維護工時減少了35%。與金屬相比，這種工時的減少是由于復合材料降低了腐蝕和疲勞的風險，從而減少了非常規(guī)維護。
777地板結構全部為復合材料，突出了這種材料在惡劣環(huán)境中的優(yōu)勢。航空公司的運營商意識到傳統(tǒng)鋁制地板梁在疲勞開裂和腐蝕方面遇到的困難。777機型已經使用了565架飛機，飛行了10多年，到目前為止，還沒有更換一個復合材料地板梁。
為了實現輕量化，飛機的機體結構材料經歷了以下變遷：
1930年代：鋁合金開始取代布、木、鋼等，作為飛機的機體材料使用。此后，隨著鋁合金的高強度發(fā)展，鋁合金成為機體材料的主流，適用范圍不斷擴大。
1940年代：開始開發(fā)具有優(yōu)異比剛度的鎂合金，2010年代批準用于座位等內部裝飾品。但是，目前還沒有完全代替鋁合金。
1940年代后期：作為高強度鋁合金(硬鋁等)的替代品，玻璃纖維增強塑料(Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP)被應用于襟翼、舵等二級結構材料。但是，GFRP與鋁合金相比，雖然比強度高，但比剛度差，因此未被采用為一級結構材料。
20世紀50年代：開始研究鈦合金(主要是Ti-6Al-4V合金)的使用。
20世紀60年代后期：隨著比鋁合金等強度和剛度都高得多的各種先進復合材料的開發(fā)，CFRP一經問世便作為飛機結構材料。
20世紀80年代：CFRP被用于飛機的二級結構材料主翼和尾翼的舵(方向舵)和客艙桁架等。
20世紀80年代后半期：大型的一級結構材料垂直、水平尾翼穩(wěn)定板和機身開始使用CFRP。
近年來，口罩影響過后，航空旅客增多，受到環(huán)境限制以及燃料價格上浮下，對于飛機輕量化的需求增強，CFRP材料被更多的應用在航空飛機中，從20世紀80年代主要應用在輔助機翼和尾翼部件中的機翼后緣板和舵等部件上，開始向航空飛機推進系統(tǒng)以及飛機內部尋找增長點。這也就有了更高性能的熱塑性碳纖維(CFRTP)材料的應用。
航空飛機中的碳纖維復材應用
在航空航天領域，使用復合材料的主要優(yōu)點體現在：
體重減輕20%-50%；
單殼模壓結構在較低的重量下提供較高的強度；
高抗沖擊性，如芳綸裝甲防護飛機減少了對發(fā)動機掛架(承載燃料管線和發(fā)動機控制裝置)的意外損壞；
高熱穩(wěn)定性；
抗疲勞/耐腐蝕；
由復合材料制成的結構件易于組裝。
在美國波音重心寬體客機787中，鋁合金占機體材料重量減少20%，每架飛機使用30噸以上的纖維復材，結構重量占比50%以上。主要存在于機翼、中央翼盒和龍骨梁、尾錐、蒙皮面板、框架、縱梁、倍增器等區(qū)域。
這在同樣的強度下，碳纖維的重量卻為鋼的四分之一，飛機耗油性能降低2成。預計2025年將要交付的大型客機波音777x中更是采用碳纖維材質的折疊機翼，停機時折疊狀態(tài)(翼寬：64.82米)，飛行時展開(71.75米)，能夠使得飛機整個的升力更好，將進一步提高飛機的燃油效率。
在空客350飛機上也是大量的采用纖維復材，最新的寬體空客A350XWB上碳纖維復材占據整個機體53%以上，傳統(tǒng)的金屬材質在起落架、塔架等地方應用。
航空飛機的熱塑性碳纖維再次加持
現如今航空飛機中機身內的復合材料以及應用非常多，眾多的機型中復材占比已經達到50%，新型高性能熱塑性碳纖維復材的出現，讓航空飛機有了更好的增長點。
傳統(tǒng)的纖維復材主要是應用在結構件冷段，有了熱塑性碳纖維復合材料就可以向熱段區(qū)域發(fā)展，比如風扇葉片。國內率先完成熱塑性碳纖維智上新材料廠家，已經跟多家飛機制造商對接，進行熱塑性碳纖部件的打樣。
那這種熱塑性碳纖維相比較傳統(tǒng)的熱固性碳纖維帶來更多的高性能，熱塑性碳纖維材料組件完整性能夠更好的保證飛機減少維護和停機時間，飛行效率更好，這里在跟智上新材負責人溝通中了解，生產的CF/PEEK(30%碳纖含量)的熱塑性復合材料的耐酸堿海鹽的性能更是提升了非常多。這應用到航空飛機中去，在應對噴漆燃料、液壓油、除冰溶液、鹽霧、蒸汽中的使用壽命更長，并且能夠提供更好的比剛度、比強度、抗疲勞強度。
包括熱塑性材料的特性，還能縮短零部件生產制造周期，此外這種材料還具備了回收用于其他應用的能力，使得產品能夠達到一個全新的高度。
相信隨著技術的不斷創(chuàng)新下，將會在越來越多的區(qū)域方向中應用這樣的高性能的復材，給到行之有效的解決方案。
