解析航空领域用碳纤维复合材料的验证内容与认定流程
摘 要
航空领域尤其是民用航空关乎生命财产安全，因此航空领域用材料的验证与应用是极其重要环节，目前碳纤维增强树脂基复合材料CFRP在民机中最高用量已经达到机身重量50%，而作为关键结构材料CFRP验证也经历了漫长验证过程。
本文主要以CFRP在美国Boeing波音飞机中应用为例，详细介绍了航空飞机及其材料体系的研发周期、航空领域用材料体系的发展、航空领域用材料特性、生产资格与结构认证内容等。
《大国利器——碳纤维》
《深度解密国外民机军机用碳纤维的型号》
《详细解密碳纤维复合材料在战斗机中的应用》
《详解碳纤维在直升机系统结构中的应用》
《图文解说高性能碳纤维在航空领域的应用》
《航空航天用碳纤维的发展及未来挑战》
《解析航空级碳纤维及其复合材料的完整链条》
《美国赫氏碳纤维在航空航天领域应用》
《东丽碳纤维在航空领域的应用》
《简述碳纤维在直升机领域中的应用》
《详解德国西格里碳素公司空天领域用碳纤维》
航空领域用合金材料的发展历程分别如图1所示，自上世纪30年代以来，航空用材料主要以铝合金为主，而且应用牌号也逐年增多。
图1 航空领域用金属合金材料的发展历程
航空领域用CFRP经历三代材料发展（图2）：1970-1980年代高强度标准模量碳纤维增强脆性环氧树脂复合材料、1990-2000年代高强中模碳纤维增强韧性环氧树脂复合材料以及2010年以后超高强中模碳纤维增强韧性复合材料；详细内容可见前期文章《深度解密国外民机军机用碳纤维的型号及基体树脂的牌号》。
图2 航空领域用CFRP材料的发展历程
表1 国外民机军机CFRP用量（来源：Boeing）
随着航空领域部件尺寸增大，CFRP用量增加，未来航空用CFRP材料继续呈现高增长趋势（图3）。
图3 国外航空领域用CFRP发展趋势
飞机中大量采用CFRP有助于大幅降低飞机机身重量，而且具有明显燃油经济性，据统计过去50年，随着CFRP用量增加，商业飞机每年燃油消耗下降1%（图4）。
图4 CFRP大量应用有助于燃油经济性
按照美国波音Boeing公司统计，开发飞机周期需要5-7年，但是其材料体系从建立到最后定型准备则需要8-10年，漫长周期涉及材料研发、放大、设计输入等众多环节（图5）。
图5 航空飞机发展与材料体系验证周期（来源：Boeing）
航空领域用材料体系测试内容较多（表2），涵盖了物理性能、静态机械性能、损伤容限、环境影响、生产可行性、资质认证等，每部分又涉及了多方面测试内容。
表2 航空用材料体系的测试内容
在航空领域对材料体系认证主要包括生产资格模块和结构认证模块，如结构认证模块又包括了材料与工艺选型、规范制定、子组件测试、部件测试、全尺寸测试等内容。
图6 航空用材料体系和结构设计体系认证
详细认证内容如图7所示，从材料到结构件均需要较长体系验证过程，因此致使最终航空用材料验证周期大大增加。
图7 航空用材料体系和结构体系详细认证内容
碳纤维在风电领域应用具有巨大的潜力，但也面临着一些技术领域的挑战。美国Hexcel公司科研人员指出碳纤维在风电领域应用主要遇到五部分挑战：孔隙率控制、基体对碳纤维浸渍、固化周期、纤维排列对性能的影响以及机械性能。
在下期分享的美国赫氏公司碳纤维及其复合材料学习课件《风电领域用碳纤维复合材料面临的挑战和解决方案》中，介绍了赫氏公司在上述五部分技术难题领域研究进展，以及提出的解决性方案。