高強(qiáng)中模碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是當(dāng)前及未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)主要的航空結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。借鑒國(guó)外高強(qiáng)中模碳纖維及其高韌性復(fù)合材料發(fā)展經(jīng)驗(yàn),在國(guó)內(nèi)高強(qiáng)型碳纖維復(fù)合材料成熟經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)中模T800級(jí)碳纖維規(guī)�；a(chǎn),系統(tǒng)分析了與國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)中模碳纖維匹配的樹脂基體、預(yù)浸料及其復(fù)合材料技術(shù)現(xiàn)狀。國(guó)產(chǎn)T800H級(jí)碳纖維增強(qiáng)高韌性環(huán)氧樹脂基和雙馬樹脂基復(fù)合材料抗沖擊性能達(dá)到國(guó)外同類復(fù)合材料的水平,高韌性環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的耐濕熱性能優(yōu)于國(guó)外同等韌性的復(fù)合材料。國(guó)產(chǎn)T800H級(jí)碳纖維增強(qiáng)高韌性復(fù)合材料預(yù)浸料具有優(yōu)異的工藝性能,可同時(shí)滿足手工鋪貼、自動(dòng)鋪帶和自動(dòng)鋪絲3種鋪放工藝要求。在T800級(jí)復(fù)合材料成熟應(yīng)用的基礎(chǔ)上,未來(lái)主要發(fā)展高壓縮強(qiáng)度、高模量和基于BVID的高沖擊韌性高強(qiáng)中模碳纖維復(fù)合材料。 

【文章來(lái)源】：材料工程. 2020,48(08)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：16 頁(yè)

【部分圖文】：

國(guó)產(chǎn)T800S(a)與T800H(b)碳纖維的截面形狀對(duì)比

以復(fù)合材料的耐溫級(jí)別為標(biāo)準(zhǔn),航空碳纖維增強(qiáng)樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料可分為中溫、中高溫和高溫復(fù)合材料,主要對(duì)應(yīng)的為環(huán)氧、雙馬、聚酰亞胺樹脂基體等熱固性樹脂。而以復(fù)合材料的沖擊后壓縮強(qiáng)度(compressive strength after impact, CAI)為劃分標(biāo)準(zhǔn),航空碳纖維復(fù)合材料大致可分為基礎(chǔ)型、第一代韌性復(fù)合材料、第二代韌性復(fù)合材料和第三代韌性復(fù)合材料(圖2)[12]。環(huán)氧樹脂具有工藝性能好、耐腐蝕、耐溫較好、韌性好等特點(diǎn),是高性能樹脂基復(fù)合材料最常用的樹脂基體,廣泛應(yīng)用于大型飛機(jī)、直升機(jī)、通用航空和殲擊機(jī)等飛行器。20世紀(jì)70年代末,隨著碳纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展,基本型碳纖維復(fù)合材料在波音飛機(jī)(B737,B757,B767)的升降舵等活動(dòng)翼面得到大量應(yīng)用,通過(guò)將近1500架飛機(jī)使用復(fù)合材料升降舵發(fā)現(xiàn),僅有40架飛機(jī)的復(fù)合材料升降舵出現(xiàn)問(wèn)題,這些問(wèn)題中大部分為外來(lái)物體沖擊導(dǎo)致的分層損傷(圖3),因此如何提高復(fù)合材料的抗沖擊損傷成為復(fù)合材料技術(shù)的重要關(guān)注點(diǎn)[13]。為了提高樹脂基復(fù)合材料的抗沖擊韌性,研究人員首先想到的是采用熱塑性樹脂代替熱固性樹脂基體,但是熱塑性樹脂基體缺乏黏性和鋪敷性成為了復(fù)合材料制造工藝中難以解決的問(wèn)題[14]。研究人員繼續(xù)從熱固性樹脂基體的增韌改性角度解決問(wèn)題。因此,隨著碳纖維復(fù)合材料在活動(dòng)翼面結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用,碳纖維復(fù)合材料進(jìn)一步推廣到了飛機(jī)主結(jié)構(gòu),低速?zèng)_擊成為復(fù)合材料分層損傷核心因素,而抗低速?zèng)_擊損傷能力將直接影響到材料CAI和設(shè)計(jì)許用應(yīng)變。

環(huán)氧樹脂具有工藝性能好、耐腐蝕、耐溫較好、韌性好等特點(diǎn),是高性能樹脂基復(fù)合材料最常用的樹脂基體,廣泛應(yīng)用于大型飛機(jī)、直升機(jī)、通用航空和殲擊機(jī)等飛行器。20世紀(jì)70年代末,隨著碳纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展,基本型碳纖維復(fù)合材料在波音飛機(jī)(B737,B757,B767)的升降舵等活動(dòng)翼面得到大量應(yīng)用,通過(guò)將近1500架飛機(jī)使用復(fù)合材料升降舵發(fā)現(xiàn),僅有40架飛機(jī)的復(fù)合材料升降舵出現(xiàn)問(wèn)題,這些問(wèn)題中大部分為外來(lái)物體沖擊導(dǎo)致的分層損傷(圖3),因此如何提高復(fù)合材料的抗沖擊損傷成為復(fù)合材料技術(shù)的重要關(guān)注點(diǎn)[13]。為了提高樹脂基復(fù)合材料的抗沖擊韌性,研究人員首先想到的是采用熱塑性樹脂代替熱固性樹脂基體,但是熱塑性樹脂基體缺乏黏性和鋪敷性成為了復(fù)合材料制造工藝中難以解決的問(wèn)題[14]。研究人員繼續(xù)從熱固性樹脂基體的增韌改性角度解決問(wèn)題。因此,隨著碳纖維復(fù)合材料在活動(dòng)翼面結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用,碳纖維復(fù)合材料進(jìn)一步推廣到了飛機(jī)主結(jié)構(gòu),低速?zèng)_擊成為復(fù)合材料分層損傷核心因素,而抗低速?zèng)_擊損傷能力將直接影響到材料CAI和設(shè)計(jì)許用應(yīng)變。高溫固化環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料經(jīng)歷了基礎(chǔ)型、第一代韌性、第二代韌性和第三代韌性樹脂基體的發(fā)展過(guò)程(表3)。尤其是20世紀(jì)90年代以后,隨著高強(qiáng)中模碳纖維技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)化,在基本型環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料(如5208/T300,3501-6/AS-4等復(fù)合材料)的基礎(chǔ)上,開展了大量的高強(qiáng)中模碳纖維增強(qiáng)韌性復(fù)合材料研究[15]。可見,自從第一代韌性樹脂基復(fù)合材料之后,高強(qiáng)中模碳纖維成為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的主要增強(qiáng)碳纖維。第一代韌性環(huán)氧復(fù)合材料(中等韌性)的CAI大約在170～250 MPa(如977-3/IM7,8552/IM7等復(fù)合材料);第二代韌性環(huán)氧復(fù)合材料(高韌性)的CAI大約在245～315 MPa(如M21/IM7,977-2/IM7等復(fù)合材料);而第三代韌性環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料(超高韌性)的CAI已經(jīng)達(dá)到315 MPa以上(如3900-2/T800,977-1/IM7,5276-1/IM7,8551-7/IM7,M91/IM7和M21EA復(fù)合材料等)[16]。高溫固化環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料抗沖擊性能如表3所示。文獻(xiàn)表明,第三代高韌性復(fù)合材料主要應(yīng)用于大型民機(jī)主承力結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等對(duì)抗沖擊韌性要求較高的結(jié)構(gòu)中,如3900-2/T800復(fù)合材料應(yīng)用于B787,M21E/IMA應(yīng)用于A350,8551-7/IM7應(yīng)用于GE90發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等。而F-35,F-22這類新一代軍用飛機(jī)中仍然大量采用977-3/IM7復(fù)合材料[17],8552/IM7復(fù)合材料大量應(yīng)用于CH-53K等新一代直升機(jī)等。


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