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摘要：介绍波音在商用飞机上所使用的复合材料的主要种类，例如，玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等，以及少量的其它纤维。 引言 随着社会技术的不断进步，先进复合材料的种类越来越多。但是，在波音飞机上所使用的复合材料，主要有以下三类：碳纤维、芳纶、玻璃纤维。以及一些其他的复合材料纤维，这些纤维在波音的商用飞机上通常用量较少。 1.复合材料/Composite Material 复合材料的定义 复合材料是由两种或两种以上的保留其物理和化学特性的材料组成的一种新的多相材料，所组成的多相材料并不是简单的将各种材料混合或溶解在一起，而是具有明显的界面，各个组分之间相互作用，具备单个材料所没有的性能。 复合材料通常是由增强材料（如：玻璃纤维，芳纶，碳纤维等）和基体材料（如：树脂，金属等）组成。 复合材料通常由高强度、高弹性模量的纤维增强材料和低强度、低弹性模量的基体材料组成。因此，复合材料与常规的金属材料不同，为各向异性体。所以，复合材料具有不同与金属的很多特性： 比强度和比模量高（High Strength to WeightRatio and High Flexible to Weight Ratio) 比强度＝拉伸强度（Strength）/密度（weight） 比模量＝弹性模量（Flexible modulus）/密度（weight） 2.玻璃纤维/Fiber Glass 玻璃纤维就是将玻璃在炉子里熔化，然后通过漏丝板形成纤维丝，纤维丝冷却后绕制在一起，变成一束纤维。纤维丝的直径通常在0.00015-0.00051英寸之间。玻璃纤维通常是二氧化硅混合其他元素的氧化物制成。其他元素可提供不同的性能。 玻璃纤维是应用最广泛的纤维材料。通常飞机上使用的玻璃纤维有两种：E和S。E玻璃纤维能够通过电磁波，S玻璃纤维用于制作结构材料。但是，E玻璃纤维几乎跟S玻璃纤维强度相当，而价格便宜。因此E玻璃纤维使用更广泛。 不同等级的玻璃纤维有着不同的成分及材料性能。E-玻璃纤维和S-玻璃纤维是用在结构上的等级。E最初应用在电磁领域，电磁性能好。同时E的强度高。S纤维的强度刚度更高，价格也比E纤维高。由于S纤维价格的原因，波音在商用飞机上几乎一直在使用E纤维。 E干玻璃纤维布（没有树脂）对应的波音标准是BMS9-3。不同的纤维布由Type（类型）来定义。波音使用的Type D，也常称呼其厂家的设计名称120；Type H，H-2或H-3也依次称为181，1581，7781。Type D的厚度是0.005英寸。Type H，H-2和H-3的厚度是0.010英寸，三者可相互替代。 S玻璃纤维用在纤维产品上的表面处理可使纤维易于处理操作。这类材料以Size来定义。S玻璃纤维材料的一个例子：BMS8-331. 总的来说玻璃纤维强度高，机械性能好，并且柔软。 3.碳纤维/Carbon 碳纤维的成分是纯碳，碳纤维具有优良的机械性能，很适合制作增强纤维复合材料。碳纤维的碳分子排列与石墨类似，外部表现为黑色，象黑色头发一样，但是又比头发细。碳纤维在美国被称为石墨纤维。通常，碳纤维含碳量在91～94％之间，石墨纤维的含碳量在99％以上。 碳纤维的纱线一般有1000到150000跟纤维丝组成，然后纺织成布。碳纤维布纺织方法与玻璃纤维基本相同，但是式样不如玻璃纤维多。 碳纤维，通过类型名称就能知道纤维束、编织形式及厚度的信息。第一部分代表纤维束中纤维丝的数量，第二部分代表纤维的厚度（1/10000IN为单位），第三部分是编织形式。例如：P代表平纹编织，H代表跳纹编织。H前的数字代表的是跳纹的循环间隔。P后面的W说明纤维的编制更紧减少纤维束之间的间隙。例如：3K-70-P类型的纤维，说明以下特征： -3K----一束纤维有3000跟纤维丝； -70----名义厚度0.0007IN； -P----平纹织物 碳原子在纤维长度方向上，其链状结构是碳纤维具有极高的强度和刚度，而在宽度方向上，其化学键比较脆弱，这样也使碳纤维在宽度方向上机械性能较差。碳纤维可以在加热前通过纤维拉长、控制炉温、控制炉子气氛来控制其最终性能。 碳纤维产品有很多，一般具有高弹性模量，或者具有高强度。通常，所有的碳纤维的刚度比玻璃纤维都高，而只有高强度纤维的拉伸强度比玻璃纤维高。虽然，碳纤维的拉伸强度不如玻璃纤维，但是碳纤维具有重量轻、弹性好的优点。 波音商用机上，使用有两种不同的碳纤维，分别是：BMS9-8和BMS9-17。BMS9-17比BMS9-8强度更高，弹性更好，所以在777飞机上，BMS9-17被用来做地板梁和安定面。 3.芳纶(Aramid/Kevlar) 芳纶最早是美国杜邦纤维有限公司发现并注册的，在二十世纪六十年代后期开始发展应用起来。Kevlar是非常典型的一种芳纶，它是一种聚酯化合物，是经常得以使用的有编织布，也有预浸料型。Kevlar的机械强度比碳纤维的高，但是弹性不如碳纤维，抗撞击性较好，价格也较碳纤维便宜。通常使用在对强度和抗撞击要求高，而对价格不是很敏感的部位。 芳纶吸水性较好，能够吸收大约其重量的8％的水。另外，芳纶的热膨胀系数（负）较高。基于这些特点，芳纶使用时必须考虑环境的影响，加以保护。另外，芳纶的抗压强度比抗拉强度低，因此，芳纶不能用来制作受压应力较大的场合。 Kevlar同玻璃纤维一样，其编织布也有很多织法。Kevlar纤维呈黄色，同碳纤维织品一样也有示踪线。为了避免受到阳光紫外线的影响，Kevlar纤维织品必须避光保存，当用于复合材料修理或生产后，其构件表面通常漆层，所以紫外线就影响不到Kevlar纤维。 Kevlar纤维和碳纤维跟玻璃纤维相比，另一个特点是负热膨胀系数。这意味着Kevlar纤维在受热后，会收缩。这样，Kevlar构件在制成后，当温度变化时，其外形尺寸基本可以保持不变。 Kevlar主要有两种，Kevlar49和Kevlar29。通过强化处理又可以具体的分为四类： --Kevlar29标准的弹道学等级 --Kevlar129防潮的弹道学等级 --Kevlar49标准的结构等级 --Kevlar149防潮的结构等级 4.其他纤维 硼 硼是一种特殊的高模量的纤维。硼纤维是把硼通过化学蒸汽沉淀在某些薄的基体上制作而成。通常是钨丝。加入了铝的硼纤维通常被当作粘结补片来使用。 陶瓷 许多种陶瓷被制作成纤维，例如硅的碳化物、硅的氮化物。这些纤维强度高，硬度大，耐高温并且具有抗腐蚀性。在以钛基体的复合材料中加入硅的氮化物制成的纤维常被用来制造发动机部件。 金属纤维 金属纤维是非常细的金属丝。这些纤维通常是有钨、钼、钛、钢以及其他高强度的金属拉拔而成。在耐高温、难熔的金属中加入金属纤维以增强其耐热性。 石英和二氧化硅 石英和二氧化硅纤维是由高纯的二氧化硅制作而成，这不同于玻璃纤维，其掺杂着其他的材料。石英纤维是由石英晶体制作而成且具有晶状结构。二氧化硅纤维是类似于玻璃纤维的非晶状结构。由于其高强度和低的导电性通常可以替代玻璃纤维，被用来制造雷达罩。 结束语 复合材料使用在飞机结构中，最重要的是因为在同等强度/刚度下，结构重量轻。结构重量轻是复合材料最大的优点，也是结构设计过程中选择使用复合材料的最重要的考虑因素。试验证明，碳纤维/环氧树脂复合材料替代铝合金结构后的重量能够减轻至少20％。波音不同型号的飞机，使用的复合材料的种类和所占的比例也不尽相同。随着技术的进步，越来越多的复合材料将被用在波音飞机上。 《适航与维修》精选 作者：王涛 山东太古飞机工程有限公司 |
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