波音737飛機的複合材料

摘要：介紹波音在商用飛機上所使用的複合材料的主要種類，例如，玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等，以及少量的其它纖維。

引言

隨著社會技術的不斷進步，先進複合材料的種類越來越多。但是，在波音飛機上所使用的複合材料，主要有以下三類：碳纖維、芳綸、玻璃纖維。以及一些其他的複合材料纖維，這些纖維在波音的商用飛機上通常用量較少。

1.複合材料/Composite Material

複合材料的定義

複合材料是由兩種或兩種以上的保留其物理和化學特性的材料組成的一種新的多相材料，所組成的多相材料並不是簡單的將各種材料混合或溶解在一起，而是具有明顯的界面，各個組分之間相互作用，具備單個材料所沒有的性能。

複合材料通常是由增強材料（如：玻璃纖維，芳綸，碳纖維等）和基體材料（如：樹脂，金屬等）組成。

複合材料通常由高強度、高彈性模量的纖維增強材料和低強度、低彈性模量的基體材料組成。因此，複合材料與常規的金屬材料不同，為各向異性體。所以，複合材料具有不同與金屬的很多特性：

比強度和比模量高（High Strength to WeightRatio and High Flexible to Weight Ratio)

比強度＝拉伸強度（Strength）/密度（weight）

比模量＝彈性模量（Flexible modulus）/密度（weight）

2.玻璃纖維/Fiber Glass

玻璃纖維就是將玻璃在爐子里熔化，然後通過漏絲板形成纖維絲，纖維絲冷卻後繞制在一起，變成一束纖維。纖維絲的直徑通常在0.00015-0.00051英寸之間。玻璃纖維通常是二氧化硅混合其他元素的氧化物製成。其他元素可提供不同的性能。

玻璃纖維是應用最廣泛的纖維材料。通常飛機上使用的玻璃纖維有兩種：E和S。E玻璃纖維能夠通過電磁波，S玻璃纖維用於製作結構材料。但是，E玻璃纖維幾乎跟S玻璃纖維強度相當，而價格便宜。因此E玻璃纖維使用更廣泛。

不同等級的玻璃纖維有著不同的成分及材料性能。E-玻璃纖維和S-玻璃纖維是用在結構上的等級。E最初應用在電磁領域，電磁性能好。同時E的強度高。S纖維的強度剛度更高，價格也比E纖維高。由於S纖維價格的原因，波音在商用飛機上幾乎一直在使用E纖維。

E干玻璃纖維布（沒有樹脂）對應的波音標準是BMS9-3。不同的纖維布由Type（類型）來定義。波音使用的Type D，也常稱呼其廠家的設計名稱120；Type H，H-2或H-3也依次稱為181，1581，7781。Type D的厚度是0.005英寸。Type H，H-2和H-3的厚度是0.010英寸，三者可相互替代。

S玻璃纖維用在纖維產品上的表面處理可使纖維易於處理操作。這類材料以Size來定義。S玻璃纖維材料的一個例子：BMS8-331.

總的來說玻璃纖維強度高，機械性能好，並且柔軟。

3.碳纖維/Carbon

碳纖維的成分是純碳，碳纖維具有優良的機械性能，很適合製作增強纖維複合材料。碳纖維的碳分子排列與石墨類似，外部表現為黑色，象黑色頭髮一樣，但是又比頭髮細。碳纖維在美國被稱為石墨纖維。通常，碳纖維含碳量在91～94％之間，石墨纖維的含碳量在99％以上。

碳纖維的紗線一般有1000到150000跟纖維絲組成，然後紡織成布。碳纖維布紡織方法與玻璃纖維基本相同，但是式樣不如玻璃纖維多。

碳纖維，通過類型名稱就能知道纖維束、編織形式及厚度的信息。第一部分代表纖維束中纖維絲的數量，第二部分代表纖維的厚度（1/10000IN為單位），第三部分是編織形式。例如：P代表平紋編織，H代表跳紋編織。H前的數字代表的是跳紋的循環間隔。P後面的W說明纖維的編製更緊減少纖維束之間的間隙。例如：3K-70-P類型的纖維，說明以下特徵：

-3K----一束纖維有3000跟纖維絲；

-70----名義厚度0.0007IN；

-P----平紋織物

碳原子在纖維長度方向上，其鏈狀結構是碳纖維具有極高的強度和剛度，而在寬度方向上，其化學鍵比較脆弱，這樣也使碳纖維在寬度方向上機械性能較差。碳纖維可以在加熱前通過纖維拉長、控制爐溫、控制爐子氣氛來控制其最終性能。

碳纖維產品有很多，一般具有高彈性模量，或者具有高強度。通常，所有的碳纖維的剛度比玻璃纖維都高，而只有高強度纖維的拉伸強度比玻璃纖維高。雖然，碳纖維的拉伸強度不如玻璃纖維，但是碳纖維具有重量輕、彈性好的優點。

波音商用機上，使用有兩種不同的碳纖維，分別是：BMS9-8和BMS9-17。BMS9-17比BMS9-8強度更高，彈性更好，所以在777飛機上，BMS9-17被用來做地板梁和安定面。

3.芳綸(Aramid/Kevlar)

芳綸最早是美國杜邦纖維有限公司發現並註冊的，在二十世紀六十年代後期開始發展應用起來。Kevlar是非常典型的一種芳綸，它是一種聚酯化合物，是經常得以使用的有編織布，也有預浸料型。Kevlar的機械強度比碳纖維的高，但是彈性不如碳纖維，抗撞擊性較好，價格也較碳纖維便宜。通常使用在對強度和抗撞擊要求高，而對價格不是很敏感的部位。

芳綸吸水性較好，能夠吸收大約其重量的8％的水。另外，芳綸的熱膨脹係數（負）較高。基於這些特點，芳綸使用時必須考慮環境的影響，加以保護。另外，芳綸的抗壓強度比抗拉強度低，因此，芳綸不能用來製作受壓應力較大的場合。

Kevlar同玻璃纖維一樣，其編織布也有很多織法。Kevlar纖維呈黃色，同碳纖維織品一樣也有示蹤線。為了避免受到陽光紫外線的影響，Kevlar纖維織品必須避光保存，當用於複合材料修理或生產後，其構件表面通常漆層，所以紫外線就影響不到Kevlar纖維。

Kevlar纖維和碳纖維跟玻璃纖維相比，另一個特點是負熱膨脹係數。這意味著Kevlar纖維在受熱後，會收縮。這樣，Kevlar構件在製成後，當溫度變化時，其外形尺寸基本可以保持不變。

Kevlar主要有兩種，Kevlar49和Kevlar29。通過強化處理又可以具體的分為四類：

--Kevlar29標準的彈道學等級

--Kevlar129防潮的彈道學等級

--Kevlar49標準的結構等級

--Kevlar149防潮的結構等級

4.其他纖維

硼

硼是一種特殊的高模量的纖維。硼纖維是把硼通過化學蒸汽沉澱在某些薄的基體上製作而成。通常是鎢絲。加入了鋁的硼纖維通常被當作粘結補片來使用。

陶瓷

許多種陶瓷被製作成纖維，例如硅的碳化物、硅的氮化物。這些纖維強度高，硬度大，耐高溫並且具有抗腐蝕性。在以鈦基體的複合材料中加入硅的氮化物製成的纖維常被用來製造發動機部件。

金屬纖維

金屬纖維是非常細的金屬絲。這些纖維通常是有鎢、鉬、鈦、鋼以及其他高強度的金屬拉拔而成。在耐高溫、難熔的金屬中加入金屬纖維以增強其耐熱性。

石英和二氧化硅

石英和二氧化硅纖維是由高純的二氧化硅製作而成，這不同於玻璃纖維，其摻雜著其他的材料。石英纖維是由石英晶體製作而成且具有晶狀結構。二氧化硅纖維是類似於玻璃纖維的非晶狀結構。由於其高強度和低的導電性通常可以替代玻璃纖維，被用來製造雷達罩。

結束語

複合材料使用在飛機結構中，最重要的是因為在同等強度/剛度下，結構重量輕。結構重量輕是複合材料最大的優點，也是結構設計過程中選擇使用複合材料的最重要的考慮因素。試驗證明，碳纖維/環氧樹脂複合材料替代鋁合金結構後的重量能夠減輕至少20％。波音不同型號的飛機，使用的複合材料的種類和所佔的比例也不盡相同。隨著技術的進步，越來越多的複合材料將被用在波音飛機上。

《適航與維修》精選

作者：王濤 山東太古飛機工程有限公司