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避免碳纖維復合材料飛機的機翼易因疲勞損壞產生微小裂縫

發布日期：2021-03-15 作者：大連義邦科技瀏覽數：11778

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機翼是飛機的一個重要部件。其主要功用是提供升力，與尾翼一起保證飛機具有良好的穩定性。在機翼上一般配有副翼和襟翼，操縱副翼可使飛機滾轉，放下襟翼可使升力增大。

碳纖維增強塑料（CFRP）復合材料已廣泛用于航空，汽車和其他工程應用的主要結構的制造。第一個采用復合材料機翼和機身的大型商用客機是波音787，波音公司認為碳纖維增強復合材料可大幅減重并增加燃油效率達20%。除固定翼飛機外，直升機、旋翼飛機及無人機的機翼都采用復合材料。

碳纖維增強復合材料雖自身具有高強度，但具有易碎和疲勞損壞特性。在CFRP生產過程中，碳纖維通常沿相同的方向排列并用樹脂浸漬，以形成預浸料，這些材料被廣泛的用來降低結構材料的重量用于航空航天工業，如在垂直尾翼、方向舵、升降舵、水平尾翼和飛機的主體結構件中。

在使用各種建模和分析技術的前提下，研究了CFRP復合材料中裂紋萌生和擴展的機理。通過宏觀模型假設所有機構包含裂紋和空隙，這些微小裂紋的增長是穩定的。碳纖維布在機械載荷作用下，在宏觀尺度上產生了不同的破壞機制。

當釋放應變能量超過創建一個新的表面積和產生裂紋尖端附近的塑性變形所需要的能量時，在這些階段裂紋擴展足以觀察到（大于幾微米至幾百微米）。對于飛機來說，即使很小的裂縫都會導致災難性的飛機故障。

目前解決碳纖維材料脆性易產生微小裂紋的方法，通常是在樹脂中加入增韌劑，但韌性增強顆粒分散性差，能夠形成高和低顆粒密度區域，進而降低復合材料的性能。目前歐美已使用在不降低復合材料性能樹脂增韌材料，其中有代表性的如大連義邦Xantu. Layr，使用在預浸料層間，鋪貼簡便，改善樹脂內部分層斷裂，沖擊之后的壓縮強度，提升復合材料分層和抗疲勞特性。另外這些納米纖維膜不會增加預浸料的厚度和重量，在層間區域充當脆性樹脂基體的納米級增強物質，最終形成更堅韌的樹脂(可以與其他增韌體系共同使用)，在受到壓力或沖擊時不易發生微小裂紋。

復合材料成型工藝的特殊性導致復合材料的抗沖擊性、斷裂韌性和分層強度通常較差。所以，韌性增強物質用于輔助復合材料有利于改善復合材料的抗分層性、損傷容限和抗疲勞特性。碳纖維復合材料經過60多年的發展，在技術和工藝等都取得了許多成果，應用領域也在不斷擴展，從航空航天及前沿的軍事領域，逐步拓展到汽車及各類競技體育用品等領域，未來它在民用、軍用和航空航天領域的應用也會更加廣泛。

本文意在傳播新材料資訊，部分圖片來自網絡。

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