篇 首 语 纵观复合材料航空发展史，复合材料是在20世纪60年代首次应用于军用飞机，后来在20世纪70年代扩展到民用飞机领域。复合材料在商用飞机上的首次重大应用是空客公司1983年在A300和A310的方向舵上的应用，然后是1985年在垂直尾翼上的应用。 由于复合材料具有较高的比刚度和强度，因此在运输应用中受到广泛关注，而由于重量较轻，燃料消耗和排放量都可以减少。据悉，一架客机每增加一公斤，每年需要增加130升燃料。在新型战斗机的开发中，不断提高性能的需求要求在载重结构上大幅度减轻重量。 在本系列文章中将会介绍战斗机用碳纤维复合材料的选择标准，以便在重量、强度和成本方面选择最合适的材料来满足要求，本文将继续介绍碳纤维强度要求和复合材料工艺的选择。 
当第一代碳纤维被引入飞机机身结构时，其特点是高比弹性模量和高比强度，而断裂伸长率相对较低（约为1%）。与铝和钛等传统金属材料相比，碳纤维复合材料具有许多优点。在航空航天应用中使用复合材料的主要优点是减少了重量。例如，通过用碳纤维增强复合材料代替铝合金，重量可以减少12%。
这种重量节省可用于减少燃料消耗或增加有效载荷、机动性和速度。其他优势包括复合材料优异的耐疲劳、耐腐蚀性及其减振性能。与此同时，碳纤维的强度增加（图1）是通过以下方式实现的：（1）提高未碳化纤维的纯度并减少其缺陷；（2） 改进的制造公差和纤维生产过程中的更高张力。
▲图1 常见碳纤维的主要性能
早期的环氧树脂的缺点是具有相对较高的吸湿性（图2）以及在水分存在下对温度的敏感性（图3），导致基体过早软化（降低玻璃化转变温度）。对于潮湿条件（70℃/85%RH，图2），T300/914在更短的时间内增加更多重量。尽管如此，两种复合材料都表现出Fickian扩散行为，随着暴露时间的增加，质量增加，直到复合材料被水饱和。
▲图3 第一代与第二代环氧树脂的吸湿性能
一般来说，水分会增加树脂/粘合剂的柔韧性和延展性，并降低弹性模量和强度。因此，不不能赋予碳纤维复合材料高压缩强度。然而，在某些聚合物中，可以观察到积极的水分效应。事实上，如果吸水时聚合物中低分子量物质的损失比水塑化效应（降低玻璃化转变温度）更显著，则水分老化时的弹性模量可以增加。
复合材料在固化过程中除了产生热应力外，还发生了残余应力的变化。对于剪切储能模量，也是含水率的函数。剪切模量在90-120℃之间开始下降(图3)。
▲图3 不同类型复合材料的湿热性能
为了改进CFC性能，必须开发新的制造工艺。应优化零件和装配以保证最低的成本和结构的可靠性。在航空工业中，降低燃料消耗和环境影响有着很高的要求。
减重必须以一种经济高效的方式实现，而这只能通过设计师和制造工程师之间的大量沟通才能实现。尽管如此，细节零件和紧固件的数量也必须大幅减少。
复合材料零件的性能不仅取决于组成材料，还取决于将其整合为最终部件以进行组装的过程。这些制造技术取决于其化学性能，主要分为三类：（1）半成品制造；（2） 开放成型（铺丝、喷涂、纤维缠绕、拉挤、自动纤维放置、固化）；（3）封闭成型（注塑成型、树脂转移成型、真空辅助树脂注入、压缩成型）。在制造过程中，必须避免空隙和收缩。气孔和孔隙率是制造过程中最关键的问题之一
有人提出，机翼、机身等主要结构必须抗疲劳和环境影响。这两个特性增加了制造过程的成本。另一方面，在二级结构中可以使用更便宜的材料和更快的制造工艺。
像机翼等部件必须通过控制相对于设计载荷的纤维方向来满足严格的刚度和强度需求。碳纤维预浸料因其性能优越，在航空工业中应用最多。碳纤维预浸料主要有两种生产方式：一种为直接将树脂加热，以降低其黏度，便于均匀散布于纤维之间，称为热熔法。另一种为将树脂溶于溶剂中来降低黏度，待树脂含浸纤维后再加热使溶剂挥发，称为溶液浸渍法。
目前碳纤维预浸料常用的热熔法又可以分为一步法（图4）和两步法（图5）。在两步法中第一步需要先制备树脂膜，然后进行预浸处理，目前国内碳纤维预浸料约90%工艺采用热熔两步法。
▲图4 碳纤维预浸料热熔一步法成型工艺
▲图5 碳纤维预浸料热熔两步法成型工艺
原文始发于微信公众号（碳纤维及其复合材料技术）：【独家揭秘】详细解密军用战斗机中碳纤维复合材料的应用及材料选择标准（二）：碳纤维强度与复合材料工艺
