纤维结构：航空航天领域的创新驱动力

字里人间

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摘要
为了实现航空航天领域的结构增强，增强纤维在强度、刚度、耐热性或耐化学性方面需要具有非常高的性能。而纺织结构复合材料是为结构或承载应用而设计的含有刚性织物的材料，柔性纤维材料（纤维、纱线和织物）的特定组合则被称为纺织复合材料预成型件。纺织品预成型件在纤维取向、缠结和几何形状方面有很大差异。各种高性能纤维的结构和性能：韧性、模量、耐热性、耐化学性等必须转化到纱线和织物结构中，才能生产出具有所需性能的预成型件。在机械性能的情况下，这种转移效率将在很大程度上取决于纤维在纱线和织物结构中的取向程度。在过去的数十年间，航空航天复合材料领域的驱动力一直是降低成本、提高部件性能和减轻部件重量。由于优异的比强度、比刚度，以及其整体设计的潜力，纺织结构复合材料在航空航天中的应用正在增加。
复合材料结构在空客A340、A380和A350 XWB中的份额分别约为17%、25%和50%，呈快速增长趋势。通过液体模塑法（真空辅助树脂转移模塑VARTM、树脂转移模塑法（RTM）或树脂膜浸渍法（RFI））制备的纺织复合材料的面内机械性能几乎等于通过预浸料法制备的复合材料的面内机械性能。然而，通过液体模塑法制造的纺织结构复合材料的平面外抗冲击性低于通过预浸料法开发的织物结构复合材料。
另外需要注意的是，由于玻璃纤维的密度更高、刚度更低以及芳纶纤维的吸湿性高，玻璃纤维和芳纶纤维在航空航天领域的使用相对有限。因此，航空航天工业中使用的大多数复合材料零件都是使用热固性基体预浸渍碳纤维织物生产的。机织、针织、定向结构（DOS）、编织和其他织物结构已用于开发航空航天应用的复合材料部件，而最常用的织物结构是DOS。
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机织结构
在航空航天领域使用机织结构的一个案例是由日本川崎重工（Kawasaki Heavy Industries）公司实现的，该公司使用了日本帝人Tenax HTS 5631 12K纤维通过特殊的机织技术制造了380 g/m2 2×2的斜纹碳纤维织物。使用这种织物开发的预浸料已经实现了多种应用，包括巴西航空工业公司ERJ 170内侧襟翼、ERJ190外侧襟翼和翼梢以及波音737-300小翼（图1）。

1 波音737-300小翼
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针织结构
戴姆勒-奔驰公司以针织结构开发了航空航天复合材料零件。图2显示了一个加筋板，该加筋板由经编蒙皮和3D编织加强筋缝合在一起制成，形成一个复杂的预成型件。纤维结构随后由布伦瑞克DLR公司使用RTM工艺浸渍。
2 由编织型材和经编外皮组成的加强板
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定向结构
使用12K碳纤维的定向结构（DOS）是航空航天应用中最常用的结构。主要有两个典型的应用实例：空客A380后压舱壁（RPB）和空客A400M货舱门。A380 RPB是在汉堡附近斯塔德的空客工厂生产的，使用的是由Saertex提供的多轴碳纤维DOS制成的预制件。将该预成型件覆盖在正模上，然后使用RFI工艺进行层压（图3）。在3 mm厚的基本层压件的初始固化和桁条的连接之后，零件最终在高压釜中固化。成品舱壁重约240公斤，尺寸为6.2米乘5.5米。
3 空客A380后压舱壁生产中DOS织物
空客A400M货舱门主要由多轴碳纤维DOS和额外的单轴DOS织物组成，用于局部加固和蒙皮铺设。A400M货舱门采用EADS/Premium Aerotec专利的真空辅助工艺（VAP）灌注技术进行加工（图4）。A400M舱门在奥格斯堡Premium Aerotecs工厂制造。
4 Premium Aerotec制造的空客A400M货舱门除了上述大型结构外，DOS在子结构层面上还有一些额外的航空航天应用，如空客A380襟翼轨道隔板、侧壳和束带。
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编织结构
大型编织机开辟了编织结构在航空航天工业中的有趣应用。A&使用800载体编织机开发了直径为2米、长度为3米的Vectron短袜。图5显示了使用A&公司生产的编织袜主要用于美国国家航空航天局NASA开发的原型气闸。图5 美国国家航空航天局开发的编织气闸
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未来的应用
目前，纺织结构在航空航天工业中的应用主要基于使用预浸技术的2D结构，因为2D纺织增强材料在平面内比3D织物增强材料更强。在航空航天复合材料零件的开发中，平面外抗冲击性是另一个重要的载荷工况考虑因素。具有沿厚度方向定向纱线的3D织物结构可赋予复合材料非常强的平面外特性。因此，3D织物结构的使用有利于避免航空航天复合材料零件的分层和断裂。
但是，在加强筋和桁条等零件中，并非所有载荷都是平面内的，这使得预浸料层压板不太合适。可以预见，在不久的将来，三维立体编织、针织和编织纤维结构将在航空航天工业中引起极大的关注。