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避免碳纤维复合材料飞机的机翼易因疲劳损坏产生微小裂缝

更新于:2021-03-16   来源:航空新材料   点击:257次

机翼是飞机的一个重要部件。其主要功用是提供升力,与尾翼一起保证飞机具有良好的稳定性。在机翼上一般配有副翼和襟翼,操纵副翼可使飞机滚转,放下襟翼可使升力增大。

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飞机机翼示例

  碳纤维增强塑料(CFRP)复合材料已广泛用于航空,汽车和其他工程应用的主要结构的制造。第一个采用复合材料机翼和机身的大型商用客机是波音787,波音公司认为碳纤维增强复合材料可大幅减重并增加燃油效率达20%。除固定翼飞机外,直升机、旋翼飞机及无人机的机翼都采用复合材料。

  

飞机尾翼示例

  碳纤维增强复合材料虽自身具有高强度,但具有易碎和疲劳损坏特性。在CFRP生产过程中,碳纤维通常沿相同的方向排列并用树脂浸渍,以形成预浸料,这些材料被广泛的用来降低结构材料的重量用于航空航天工业,如在垂直尾翼、方向舵、升降舵、水平尾翼和飞机的主体结构件中。

  在使用各种建模和分析技术的前提下,研究了CFRP复合材料中裂纹萌生和扩展的机理。通过宏观模型假设所有机构包含裂纹和空隙,这些微小裂纹的增长是稳定的。碳纤维布在机械载荷作用下,在宏观尺度上产生了不同的破坏机制。

  

  当释放应变能量超过创建一个新的表面积和产生裂纹尖端附近的塑性变形所需要的能量时,在这些阶段裂纹扩展足以观察到(大于几微米至几百微米)。对于飞机来说,即使很小的裂缝都会导致灾难性的飞机故障。

  目前解决碳纤维材料脆性易产生微小裂纹的方法,通常是在树脂中加入增韧剂,但韧性增强颗粒分散性差,能够形成高和低颗粒密度区域,进而降低复合材料的性能。目前欧美已使用在不降低复合材料性能树脂增韧材料,其中有代表性的如大连义邦Xantu. Layr,使用在预浸料层间,铺贴简便,改善树脂内部分层断裂,冲击之后的压缩强度,提升复合材料分层和抗疲劳特性。另外这些纳米纤维膜不会增加预浸料的厚度和重量,在层间区域充当脆性树脂基体的纳米级增强物质,最终形成更坚韧的树脂(可以与其他增韧体系共同使用),在受到压力或冲击时不易发生微小裂纹。

  

静电纺丝技术纳米纤维增韧膜

  复合材料成型工艺的特殊性导致复合材料的抗冲击性、断裂韧性和分层强度通常较差。所以,韧性增强物质用于辅助复合材料有利于改善复合材料的抗分层性、损伤容限和抗疲劳特性。碳纤维复合材料经过60多年的发展,在技术和工艺等都取得了许多成果,应用领域也在不断扩展,从航空航天及前沿的军事领域,逐步拓展到汽车及各类竞技体育用品等领域,未来它在民用、军用和航空航天领域的应用也会更加广泛。


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