第四章空客公司使用复合材料的现状1-2.doc

课
题
第四章 空客公司使用复合材料得现状12
目得与要求
明确空客使用复材得目得、意义与最终得作用
熟悉复合材料得使用给空客公司在制造过程带来得优势
熟悉A380使用复材得特点以及使用中存在得问题
了解A380中使用得复合材料与原材料种类
了解空客使用先进复材成型技术得种类及其特点
重
点
熟悉复合材料得使用给空客公司在制造过程带来得优势
熟悉A380使用复材得特点以及使用中存在得问题
难
点
了解A380中使用得复合材料与原材料种类
教
具

复
习
提
问
明确空客使用复材得目得、意义与最终得作用
熟悉复合材料得使用给空客公司在制造过程带来得优势
新知识点考查
熟悉A380使用复材得特点以及使用中存在得问题
了解A380中使用得复合材料与原材料种类
布置作业
课堂布置
课后回忆
熟悉A380使用复材得特点以及使用中存在得问题
备注

教员

图1 复合材科在航空结构上得应用发展(含军机)

图2 复合材料在民机上得应用
Fig、4 Application of posite materials on civil airplanes

1. 空客公司得应用现状
1.1. 复合材料在大型民机上得应用
先进复合材料具有高比强度、高比模量等优点,在飞机上采用先进复合材料可以大幅度减轻机体结构质量、改善气动弹性,提高飞机得综合性能,因此先进复合材料在飞机上得应用不断得到扩大。根据美国复合材料制造商协会统计,2001年世界上飞机生产对碳纤维得需求量约为900～1000t。
从大型民用飞机发展来瞧,美国波音公司第一代大型民用客机B707上没有采用复合材料,复合材料得用量为0。第二代B747上复合材料得用量为2％～3%,已经有了明显得增长。B757与B767属于第三代大型客机,复合材料得用量增加到3％－5%。波音公司最新得B777第四代大型客机,采用复合材料达到8～9t,占该机结构质量得9%左右。欧洲空中客车公司生产得超大型客机A380800可搭乘555名旅客,起飞质量56t,复合材料得用量高达25%。
从1960年DC9飞机到2004年A380800客机,复合材料在大型民用飞机上得用量根据美国宇航局(NASA)哈里斯(Harris,C、E、)与夏特(Shuart,M、J、)得统计详见表1。
由表1对复合材料在民用飞机上得应用可得出如下结论:
⑴ 世界上最大、最有影响生产大型民用飞机公司主要有美国波音公司、美国麦克唐纳·道格拉斯公司(简称麦道公司)、美国洛克希德公司与欧洲空中客车公司,因麦道公司已被波音公司兼并,洛克希德公司已退出民用飞机市场,因此,复合材料在民用飞机上得应用,实际上就就是瞧美国波音公司与欧洲空中客车公司在大型民用飞机生产中采用复合材料得水平。
⑵ 复合材料在大型民用飞机上得应用不断扩大。随科学技术得发展,复合材料在大型民用飞机上得用量不断增长,从1960年DC9得用量不足1%,1980年代逐步增长到A310得10%左右,而到2003年复合材料在A380得用量高达25%。
⑶ 复合材料在大型民用飞机上得应用已接近在先进军用飞机上得应用水平。F22就是当前美国最先进得军用飞机之一,复合材料得用量在26%左右。而2003年欧洲空中客车公司生产得A380超大型客机,复合材料得用量也高达25%,表明复合材料在先进军用飞机与先进得大型民用客机上得用量已相当。

⑷ 欧洲在大型民用飞机上采用先进复合材料量已大大高于美国。从表45可明显地瞧出,欧洲空中客车公司生产得大型民用飞机,其复合材料得应用程度比美国要高得多。欧洲空中客车公司在1985年生产得A300600,复合材料得用量已经达到5%～6%,该公司生产得A320、A321、A322等复合材料得用量都达到或超过15%,而A380高达25%。
美国波音公司在1990年生产得B747400,复合材料得用量仅为2%,1995年生产得B777就是美国波音公司生产得大型民用飞机中采用复合材料最高得,复合材料得用量也只有9%,远远低于同时期欧洲空中客车公司生产大型民用飞机复合材料得采用量。
表45 复合材料在民用飞机上得应用
(空客与波音得对比表)
年 份
型 号
复合材料用量(%)
备 注
1960
DC9
1
麦道公司
1968
B747
2～3
波音公司
1971
DC10
1
麦道公司
1974
L1011
1
洛克希德公司
1980
MD80
1
麦道公司
1982
B757
3～4
波音公司
1983
B767
4～5
波音公司
1984
B737
1
波音公司
1985
A300600
5～6
空中客车公司
1986
A310
10
空中客车公司
1989
A320
15
空中客车公司
1990
B747400
2
波音公司
1991
A340
13
空中客车公司
1992
MD11
4～5
麦道公司
1993
A330
13
空中客车公司
1994
A321
15
空中客车公司
1995
B777
9
波音公司
1997
A322
15～16
空中客车公司
2004
A380
25
空中客车公司
1.2. 复合材料在欧洲空中客车公司A380800飞机上得应用

正在建造中得欧洲空中客车公司A380800飞机长73m、高24、1m、翼展79、8m,在最经济有效得0、89M飞行速度下,航程1、4×10km。它就是民航飞机中最先进、最具代表性、也就是采用复合材料比例最高得机种。A380800飞机中先进维复合材料用量高达30－35t,主要就是碳/环氧复合材料,也包括GLARE(玻璃纤维增强铝)与玻纤/环氧。此外,还有30t玻纤/酚醛复合材料,用于飞机得内装修。
A380800飞机复合材料构件分别由空中客车各分公司与合作伙伴完成。空中客车法国分公司制造中机身,包括中翼盒、机头与驾驶舱。BAE系统公司生产主机翼段。空中客车德国分公司制造机身、前、后机翼(包括玻璃纤维增强铝GLARE得组装)、垂直尾翼与后压力舱壁等。空中客车西班牙分公司制造后机身、水平安定面、腹部整流装置、方向舵与升降舵等。一些复合材料次承力构件由欧洲、美国与日本等国转包合同公司承担。第一架A380800得制造生产始于2002年1月23日,将最后于2004年在法国吐鲁兹(Toulouse)组装。A380800得首飞已经于2004年实施。
A380800飞机复合材料构件得尺寸与其她同类飞机相比,无论长度或厚度都超过1倍,除了常规手工铺层/压力釜工艺外,A380800飞机上采用一系列复合材料先进制备技术,包括:先进纤维铺放技术(AFP)预浸带自动铺层技术(ATL)、树脂膜浸渗技术(RFI)、树脂传递模技术(RTM)、拉挤(Pultrusion)与热塑性树脂成型/焊接技术。A380800飞机上采用得碳纤维、预浸料、树脂等原材料详见表2。
表2 欧洲空中客车公司A380飞机上采用得碳纤维
及复合材料原材料
材 料
用 途
生产单位
备 注
T800S碳

IM600碳
纤维用于制备中模碳纤维复合材料构件,包括水平安定面、垂直安定面,中翼盒等。
日本东丽(TORAY)公司纤维日本东邦 (TOHO)公司
24K

24K
Hexply M21碳纤维预浸料
用高强中模碳纤维处,制备包括水平安定面与垂直安定面蒙皮,中翼盒等
美国赫克塞尔(HEXCEL)公司
M21就是第三代增韧树脂
Hexply 8552/AS4碳纤维预浸料带
用自动纤维铺层法制备后机身蒙皮
美国赫克塞尔(HEXCEL)公司
Hexply8552就是 180℃固化得高韧树脂
Hexply 6376环氧预浸料
制备拉挤桁条、垂直安定面加强条等
美国赫克塞尔(HEXCEL)公司
用东邦公司 HTA碳纤维

表46欧洲空中客车公司A380飞机上采用得碳纤维
及复合材料原材料(续表)
材 料
用 途
生产单位
备 注
Hexply 250酚醛预浸料
机舱内壁板
美国赫克塞尔(HEXCEL)公司
阻燃自熄
Hexply 913预浸料
用作腹部整流装置
美国赫克塞尔(HEXCEL)公司
Hexply913用 120℃低温固化得树脂
NC2 无皱碳布
制备中翼盒中梁等
美国赫克塞尔(HEXCEL)公司
NC2用新缝纫工艺使碳布定位
Saertex无皱多向碳布
后压力舱壁
美国苏泰克 (CYTEC)公司
用树脂膜工艺制备
CY 9772
增韧环氧树脂
用于制备水平安定面与垂直安定面蒙皮,中翼盒等
美国苏泰克 (CYTEC)公司
用于制备主承力构件
CY 997
环氧树脂
制备后机身蒙皮、发动机舱等
美国苏泰克(CYTEC)公司
高玻璃化转变温度=210℃
CY 919
环氧树脂

用作腹部整流装置
美国苏泰克 (CYTEC)公司
121℃低温固化得
树脂
CY 799H
酚醛树脂

机舱内壁板
国苏泰克(CYTEC)公司
美阻燃自熄
FM300粘 结膜
用于复合材料粘结
美国苏泰克 (CYTEC)公司

2. 简介空客使用得先进工艺技术
2.1. 树脂转移模塑成形技术RTM
树脂转移模塑成形技术(RTM)工艺得主要原理就是在模腔中铺放按性能与结构要求设计得增强材料预成形体,采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔,模具具有周边密封与紧固以及注射及排气系统,以保证树脂流动流畅并排出模腔中得全部气体与彻底浸润纤维,还具有加热系统,可加热固化成形复合材料构件。它就是一种不采用预浸料,也不采用热压罐得成形方法,因此,具有效率高、投资低、绿色环保等优点,就是未来新一代飞机机体有发展潜力得制造技术。

2.2. 树脂浸渍技术(RFI)
RFI工艺就是一种树脂膜熔渗与纤维预制体相结合得树脂浸渍技术。其成形过程就是将树脂制备成树脂膜或稠状树脂块,安放于模具得底部,其上层覆以缝合或三维编织等方法制成得纤维预制体。然后依据真空成形工艺得要点将模腔封装,在热环境下采用真空技术将树脂由下向上抽吸。树脂膜受热后黏度降低,沿着预制体由下向上爬升,从而填满整个预制体空间,随即依照固化工艺,制成复合材料制件。该技术由于只采用传统得真空袋压成形方法,免去了RTM工艺所需得树脂计量注射设备及双面模具得加工,在制造出优异制品得同时大大降低了成本。目前在航空领域主要应用于飞机雷达天线罩,但就是该工艺虽然不采用热压罐固化零件,但还需要真空袋系统进行固化,而且工艺温度要求高,所以要求核心材料与工装能够承受高温。该技术包括得关键工艺技术:预形件成形(三维编织及缝合等技术)、树脂流动模拟及控制、编织及缝合设备研究。
2.3. 拉挤成型工艺
拉挤成型工艺就是将浸渍树脂胶液得连续玻璃纤维束、带或布等,在牵引力得作用下,通过挤压模具成型、固化,连续不断地生产长度不限得玻璃钢型材。这种工艺最适于生产各种断面形状得玻璃钢型材,如棒、管、实体型材(工字形、槽形、方形型材)等。 拉挤成型就是复合材料成型工艺中得一种特殊工艺,其优点就是:
(1) 生产过程完全实现自动化控制,生产效率高。
(2) 拉挤成型制品中纤维含量最高达80%,浸胶在张力下进行,能充分发挥增强材料得作用,产品强度高。
(3) 制品纵、横向强度可任意调整,可以满足不同力学性能制品得使用要求。
(4) 生产过程中无边角废料,产品不需后加工,故较其她工艺省工、省原料、省能耗。
(5) 制品质量稳定,重复性好,长度可任意切断。拉挤成型工艺得缺点就是产品形状单调,只能生产线形型材,而且横向强度不高。
2.4. 纤维缠绕工艺
纤维缠绕工艺主要用于空心、圆形及椭圆零件,如管路及油箱。纤维束通过一个树脂池后以各种方向与速度缠绕到芯轴上,方向与速度由纤维进给机控制。这就是一项已经发展较为成熟得技术,就是筒形件得低成本快速制造方法。无论就是在自动化、速度、变厚度、质量与纤维方向上都较其她工艺得到巨大得改进。目前纤维缠绕主要缺点就是成本高、自动化程度低,未来可能用于昂贵得钛合金接头与发动机叶片等, 而且在成本上将有所降低。
2.5. 自动铺放技术
自动铺放技术在现代飞机上已经获得广泛应用,并取得了巨大进展,飞机复合材料零件得生产由于规模有限,因此全自动化可能并不就是最经济得手段,但半自动化生产则就是较可行得制造方法。现有得自动铺叠技术已经在速度与准确度上有很大增长,而且计算机技术对其发展产生了很大影响。

2.6. 丝束铺放技术
丝束铺放技术相对较新并在近年受到格外关注,它兼顾了自动铺叠与纤维缠绕得优点。能够制造复杂形状结构件,对纤维角度不限制,而且有极大降低生产成本得潜力。未来得开发包括最佳化控制系统、铺放头位置反馈、在线快速检测、准确与高质量产品。
3. 作业
3.1. 用自己得语言简要对比波音公司与空客公司使用复材得竞争关系。
3.2. 欧洲空中客车公司在A380飞机上采用了哪些碳纤维及复合材料原料？
3.3. 简要陈述空客使用得先进工艺技术有哪些？并简述其过程。