解析高性能碳纖維復合材料在國外軍用戰斗機中的應用
國外軍用戰斗機中碳纖維復合材料用量發展如圖1所示。隨著戰斗機綜合性能要求的提升,其碳纖維復合材料應用比例也是穩步提升的。
隨著國外軍用戰斗機中碳纖維復合材料(CFRP)應用比例增加,戰斗機中的其他材料比例肯定就會下降。在1986年飛的美國F-15E戰斗轟炸機中,CFRP比例僅為2%,而鋁合金比例高達49%。
到了1992年研制、1995年飛美國F/A-18E/F“超級大黃蜂”第三代戰斗機上,CFRP比例已經提高到19%。而此時鋁合金比例已經降至31%。
1997年飛、21世紀初列裝的美國F-22猛禽第五代戰斗機中,鋁合金含量已經降至16%,而CFRP比例也達到24%(圖2)。
與1986年前后生產的F/A-18C/D相比,F/A-18E/E中碳纖維復合材料用量增加,而且碳纖維也由代航空用碳纖維轉變為第二代航空用碳纖維。樹脂選擇了高韌性環氧樹脂(圖3)。
在F/A-18E/F之所以增加CFRP含量,主要原因在于:需要減輕重量并提高航空母艦環境中的強度,可靠性和可維護性。中/后機身蒙皮以及其他輔助結構,如快速剎車和后蓋,在F/A-18E/F中為全碳纖維/增韌環氧結構。機翼和尾翼使用碳纖維為具有改進強度和剛度特性IM7型碳纖維。雖然CFRP復合材料通常對沖擊損傷極其敏感,但F/A-18E/F使用了Fiberite 977-3增韌環氧樹脂體系已成功解決了運行中的威脅。
除了美國軍用戰斗機以外,歐洲戰斗機、運輸機、海洋巡邏機、無人機等國防機型大量采用的碳纖維復合材料,而且碳纖維主要應用于機身系統和推進系統。
達索Dassault戰斗機中CFRP比例在一直穩定增長,從批Mirage 2000戰斗機中的7%上升至陣風(Rafale)的26%以上,碳纖維復合材料在達索陣風戰斗機中應用如圖4所示。而歐洲公司制造的其他戰斗機,例如薩博·格里彭(Saab Gripen)和EADS的新開發的“輕型”戰斗機Makouse復合材料,重量百分比范圍在20%至25%之間。
美國B-2隱形戰略轟炸機是當今上先進的,也是唯一的一種的隱身戰略轟炸機。對于B-2轟戰機而言,隱身或小化雷達橫截面是采用CFRP的主要驅動因素,由于石墨纖維(即高強高模碳纖維)含碳量99%以上,具有更優異信號屏蔽性能等,因此B-2隱形轟戰機采用碳纖維為高強高模型石墨纖維(圖5)。
由于復合材料的密度低于金屬,因此復合材料的機身體積分數相當大,據估計美國B-2隱形轟戰機復合材料用量可能超過60%。對于B-2轟炸機,其獨特的隱身性能要求決定了高強高模碳纖維及其復合材料的使用量顯著增加。B-2轟炸機采用翼身融合、無尾翼的飛翼構形,機翼前緣交接于機頭處,機翼后緣呈鋸齒形。機身機翼大量采用高強高模碳纖維復合材料,超輕便結構可使B-2轟炸機作戰航程可達1.2萬千米,空中加油一次則可達1.8萬千米,但其單架造價也高達22-24億美元。
綜上所述,經過半個多世紀發展,目前碳纖維復合材料已經廣泛用于國外戰斗機的機身、機翼、方向舵、翼皮等結構,如圖6所示。












































