楊超凡

熟悉航空業(yè)的人都知道，波音787和空客A350所用復(fù)合材料占飛機結(jié)構(gòu)重量的比例分別達(dá)到50%、53%。這里的復(fù)合材料主要是碳纖維增強樹脂，或者叫樹脂基碳纖維復(fù)合材料。很顯然，它由兩部分組成：增強材料碳纖維和基體材料基材樹脂。

碳纖維

碳纖維是由聚丙烯腈纖維（PAN）經(jīng)過氧化–碳化–表面處理–上漿–成卷而成，直徑約5～10微米（0.005～0.010毫米），長度可達(dá)5700多米。這里的聚丙烯腈纖維，是專門用來制造碳纖維的，又叫原絲或前體。一般情況下，兩份原絲生產(chǎn)一份碳纖維。

一根絲束中包含的碳纖維數(shù)量用“K”表示，1K=1000根。飛機結(jié)構(gòu)使用最多的是12K、24K。24K以下的絲束，叫“小絲束”。

用一般市場購買的價格低廉的聚丙烯腈纖維生產(chǎn)出來的碳纖維在48K以上，這種碳纖維叫“大絲束”碳纖維。

在1315℃碳化的纖維，含有93%到95%的碳元素。拉伸模量為225GPa～327GPa，東麗公司用“T”表示。T后面的數(shù)字，表示強度。數(shù)字越大，強度越高。此類纖維歸類為中模量碳纖維，用于制造飛機結(jié)構(gòu)件復(fù)合材料中的增強體，如，T300、T400、T700、T800、T1000、T1100等。

在1900℃到2480℃的溫度下石墨化的纖維，含有99%以上的碳元素，拉伸模量為300GPa～700GPa。東麗公司用M表示，如，M35、M40、M50、M60、M70等。數(shù)字越大，模量越高。此類纖維歸類為高模量碳纖維，多用于制造航天飛船、衛(wèi)星上要求耐溫差、不變形、高精度零件。

制造碳纖維的原材料還有人造絲、瀝青以及生物基的富碳原絲，如木質(zhì)素或生物基PAN。目前用這些原材料制造出的碳纖維，還不能用來制造飛機結(jié)構(gòu)件。

基材樹脂

基材樹脂是以一種樹脂為基礎(chǔ)，加入固化劑、催化劑、增塑劑和一些特殊功能顆粒組成的高分子混合物?；臉渲械幕A(chǔ)樹脂，分熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩大類。熱固性樹脂有環(huán)氧樹脂（EP）、雙馬來酰亞胺（BMI）、酚醛樹脂（PH）、氰酸酯（CE）、聚酰亞胺（PI）等。熱塑性樹脂有聚苯硫醚（PPS）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）、聚酰胺（nylon，PA-6，PA-12）、聚碳酸酯（PC）等。

基材樹脂是復(fù)合材料中最復(fù)雜，又變化多端的高分子化學(xué)材料。針對結(jié)構(gòu)零件不同的使用要求、不同的制造工藝、不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的碳纖維，基材樹脂需要量身定制。

例如：波音787的機身、機翼蒙皮使用東麗公司的碳纖維和該公司的環(huán)氧樹脂基材3900-2B，而其球面框用蘇威公司的碳纖維和該公司的環(huán)氧樹脂基材977，其機翼后緣、活動面使用赫氏公司的碳纖維和該公司的環(huán)氧樹脂基材8552。

上述列舉的3900-2B、977、8552基材樹脂，雖然都以環(huán)氧樹脂為主，但其他成分都是商業(yè)秘密。外界知道的是，固化劑的添加比例很高，環(huán)氧樹脂與固化劑的比例通常為 2‥1到1‥1。固化劑（B部分）與基礎(chǔ)樹脂（A部分）在加成反應(yīng)中按固定比例共反應(yīng)。

因此，正確的樹脂與固化劑的配比是保證反應(yīng)完全的關(guān)鍵。否則，樹脂既不能完全固化，也不能達(dá)到其全部性能。固化劑的類型影響固化后樹脂的性能，并進(jìn)而影響復(fù)合材料零件的最終性能。

材料供應(yīng)狀態(tài)

樹脂基碳纖維復(fù)合材料的命名，是將所用的碳纖維和基礎(chǔ)樹脂的商品名稱同時列出，并在兩者之間加“/”分開。由于使用復(fù)合材料制造零件的工藝不同，復(fù)合材料的供應(yīng)狀態(tài)也不同（見表）。

表中的基材樹脂均是熱固性環(huán)氧樹脂基，它是液態(tài)的。當(dāng)加入固化劑后需要在-18℃環(huán)境下運輸、保存。

波音787和空客A350使用的復(fù)合材料有以下5種狀態(tài)：

1.預(yù)浸平紋布。用T800S（或IMA）碳纖維織成平紋布，再浸漬基材樹脂，在浸漬布的一面加隔離布，成卷供應(yīng)給客戶。預(yù)浸平紋布用于制造長桁和機身框。

2.預(yù)浸單向帶。用T800S（或IMA）碳纖維織成300毫米、150毫米、75毫米寬的單向帶，浸漬基材樹脂而制成。單向帶含有10%的緯紗。787機翼和A350-900機翼壁板蒙皮用它制造。

3.預(yù)浸無捻紗帶。用T800S（或IMA）碳纖維不加捻的絲束，拉直、壓平，形成3.2毫米、6.4毫米、12.7毫米的窄帶，再用“固態(tài)”浸漬工藝，將基材樹脂加入其中而制成。在窄帶的一面加隔離布，成卷供應(yīng)給客戶。紗帶的寬度、厚度均有嚴(yán)格的公差要求。浸漬樹脂要均勻，樹脂含量不超過35%。787、A350機身蒙皮、A350-1000機翼蒙皮和梁是用它制造的。波音777X機翼蒙皮用38.1毫米的寬帶制造，梁用窄帶制造。

4.干無卷曲織物（NCF）。由多層碳纖維紡織物縫合在一起制成。最常用的無卷曲織物是雙軸、三軸和三軸織物，其中纖維束是直的，具有不同方向（0度、45度、90度）以提供多向性能。

5.干無捻紗帶。用IMS65碳纖維不加捻的絲束，拉直、壓平，形成3.2毫米、6.4毫米、12.7毫米的窄帶。帶的兩面包覆Cycom7720熱塑性樹脂薄膜。熱塑薄膜保護(hù)碳纖維不擦傷，防止紗帶分裂。

基材樹脂與碳纖維結(jié)合，實際是基材樹脂與碳纖維表面的漿料結(jié)合。結(jié)合的程度又直接影響制成零件的強度。漿料是各廠家的商業(yè)秘密。不同生產(chǎn)碳纖維的廠家，所用的漿料不同，因此需要碳纖維與基材樹脂配套供應(yīng)。

兩種樹脂基碳纖維復(fù)合材料

目前常用的碳纖維復(fù)合材料有熱固性環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料和熱塑性碳纖維復(fù)合材料兩種。熱固性環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料，東麗公司已經(jīng)研制出T1100G/3960。其中T1100G拉伸強度7000MPa，拉伸模量324GPa。3960不需要在熱壓罐中固化。它既可以用于預(yù)浸料，又可用于樹脂轉(zhuǎn)移成型（RTM）。

使用熱固性樹脂基復(fù)合材料存在以下主要問題：

1.制造787、A350機身、機翼零件所用的熱壓罐，罐體龐大，建造和使用的費用很高。固化工序得8～10小時。

2.預(yù)浸料（半固化片）庫存期短，一般不超過6個月。運輸、保管要在-18℃環(huán)境中進(jìn)行。

3.壓縮強度低，不適合制造承受剪切應(yīng)力大的零件，如機翼翼肋（787、A350、A220、MC-21等機型的翼肋都是用鋁合金制造的）。

4.在飛機制造中，除了蒙皮與長桁連接不用鉚釘外，其它零件的連接還得用鉚釘。

5.回收、再利用困難。

熱塑性碳纖維復(fù)合材料，恰好彌補了上述熱固性復(fù)合材料的缺點。熱塑性復(fù)合材料中的碳纖維供應(yīng)狀態(tài)沒有變化，主要是得益于有了新的壓縮性能好的樹脂，如聚醚酮酮;各種新的、先進(jìn)的塑料焊接工藝和設(shè)備，能適應(yīng)飛機結(jié)構(gòu)的特點、能在自動生產(chǎn)線上使用。從目前報道中可以看出，正在研發(fā)的新型號民機，其機體中熱塑性復(fù)合材料用量將大大超過50%。