航空材料的新寵復(fù)合材料

1、航空材料的新寵復(fù)合材料材料是人類賴以生存和開展的物質(zhì)根底，也是社會(huì)現(xiàn)代化和高新技術(shù)開展的先導(dǎo)。在材料這個(gè)大家庭中，金屬材料、無機(jī)陶瓷材料、有機(jī)高分子材料是大家比擬熟識(shí)的，而復(fù)合材料，那么是這個(gè)家族中一顆璀璨的明珠。復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)、不同形態(tài)的組分通過復(fù)合工藝組合而成的一種多相材料，它既保持了原組分材料的主要特點(diǎn)，又顯示了原組分材料所沒有的新性能，可以通過材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此聯(lián)絡(luò)，從而獲得新的優(yōu)越性能。像通常我們理解的玻璃鋼，其實(shí)就是一種玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。由于有機(jī)高分子材料在性能、成型方法及靈敏的可設(shè)計(jì)性等方面的優(yōu)勢(shì)，使以其為基體的高分子基復(fù)合材料也

2、稱樹脂基復(fù)合材料，聚合物基復(fù)合材料開展非常迅速，目前在軍用、民用上獲得了廣泛的應(yīng)用。雖然以金屬材料、無機(jī)材料為基體的復(fù)合材料的開展略遜于樹脂基復(fù)合材料，但它們同樣存在很大的開展空間。悠久的歷史也許你想象不到，樹脂基復(fù)合材料的歷史可以追溯到幾千年前。最早的樹脂基復(fù)合材料是古人用干草拌黃泥制作墻體和地面的纖維復(fù)合材料；而那承載著“臥薪嘗膽、“西施浣紗等悠遠(yuǎn)故事的越王勾踐劍，也是一種包層金屬?gòu)?fù)合材料；至今尚存留著無窮奧秘的古埃及木乃伊的包料竟是一種纏繞工藝復(fù)合材料；而傳統(tǒng)的千層底布鞋，乃是一種三維編織復(fù)合材料。這些，都是你始料未及的吧？二戰(zhàn)時(shí)期，由于戰(zhàn)爭(zhēng)資源的需要，第一個(gè)纖維增強(qiáng)合成材料而成的復(fù)合材

3、料應(yīng)時(shí)代而生：1940年，以手糊成型方法制成了玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯的軍用飛機(jī)雷達(dá)罩。1944年，玻璃纖維增強(qiáng)樹脂作為機(jī)身和機(jī)翼材料的飛機(jī)試飛成功。由此可見，復(fù)合材料的誕生和開展都和國(guó)家平安嚴(yán)密聯(lián)絡(luò)在一起。在人們對(duì)復(fù)合材料的性質(zhì)理解還不夠深化時(shí)，樹脂基復(fù)合材料主要作為次承力構(gòu)件應(yīng)用到航空器中。隨著消費(fèi)工藝的開展，材料性能的逐步進(jìn)步，復(fù)合材料在航空器中的地位越來越重要。怎樣減少飛機(jī)構(gòu)造重量以進(jìn)步飛機(jī)的裝載效率是百年來飛機(jī)開展所一直追求的目的。從20世紀(jì)初的木、布構(gòu)造，到30年代輕合金的全金屬構(gòu)造，30年代60年代雖然金屬材料的性能有很大進(jìn)步，但是單依靠進(jìn)步金屬材料性能來進(jìn)一步降低飛機(jī)構(gòu)造重量系數(shù)

4、即飛機(jī)構(gòu)造重量與飛機(jī)起飛重量的比值已到達(dá)極限。為此，飛機(jī)設(shè)計(jì)師們不得不尋求新的途徑，于是找到了高比強(qiáng)度材料強(qiáng)度與密度的比值、高比剛度材料模量與密度的比值，另外能按控制構(gòu)造變形要求來設(shè)計(jì)的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。隨后，具有更高比強(qiáng)度、比剛度，同時(shí)兼具更高剪切強(qiáng)度、剪切模量以及耐熱性的第二代現(xiàn)代復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，主要以硼纖維、碳纖維、芳綸纖維為增強(qiáng)材料，以聚酰亞胺等高性能樹脂為基體，同時(shí)包括鋁、鎂、鈦等金屬基體，金屬間化合物，碳化硅、氮化硅等陶瓷基體。而性能更高的氧化鋁纖維、碳化硅纖維、晶須等增強(qiáng)材料的出現(xiàn)，更引發(fā)了具有多功能、高韌性、耐熱的第三代高性能復(fù)合材料的開展。1980年以后，先進(jìn)復(fù)合材料

5、在航空、航天等領(lǐng)域已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。軍民領(lǐng)域的多面手為了進(jìn)步軍用飛機(jī)性能，美國(guó)空軍材料研究所早在20世紀(jì)50年代中期就開場(chǎng)尋求比已經(jīng)采用的鋁合金、鈦合金等金屬材料的比強(qiáng)度、比剛度更大的材料。為此，研究開發(fā)了先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料、鋁鋰合金等輕質(zhì)高性能材料。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在航空、航天飛行器構(gòu)造上的應(yīng)用獲得了成功，現(xiàn)已成為與鋁合金、鈦合金、鋼并駕齊驅(qū)的四大構(gòu)造材料之一。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的用量已經(jīng)成為飛機(jī)先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志。復(fù)合材料飛機(jī)構(gòu)造技術(shù)是以實(shí)現(xiàn)高構(gòu)造效率和改善飛機(jī)氣動(dòng)彈性與隱身等綜合性能為目的的高新技術(shù)。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用，對(duì)飛機(jī)構(gòu)造輕質(zhì)化、小型化和高性能化起著至關(guān)重要的作

6、用。復(fù)合材料構(gòu)造特點(diǎn)和應(yīng)用效果，在高性能戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)現(xiàn)隱身、超聲速巡航、過失速飛行控制，前掠翼飛機(jī)先進(jìn)氣動(dòng)布局的實(shí)際應(yīng)用，艦載攻擊/戰(zhàn)斗機(jī)耐腐蝕性改善和輕質(zhì)化，直升機(jī)長(zhǎng)壽命和輕質(zhì)與隱身化等諸多方面得到了展現(xiàn)。復(fù)合材料技術(shù)已成為影響飛機(jī)開展的關(guān)鍵技術(shù)之一。美國(guó)空軍f-117隱身戰(zhàn)斗機(jī)采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料做成骨架和外面的蒙皮，沒有金屬外表，也沒有金屬鉚釘反射雷達(dá)波；美國(guó)1989年首飛的隱身轟炸機(jī)b-2，復(fù)合材料占構(gòu)造用量的50%；f-22根本構(gòu)型沒有采用特殊的外形隱身措施，沒有過多犧牲機(jī)動(dòng)性，而它傳奇般的隱身性能主要是通過復(fù)合材料和隱身涂料完成的。而f-35中應(yīng)用復(fù)合材料已占到構(gòu)造質(zhì)量的30%3

7、5%；“旅游者號(hào)vyager全復(fù)合材料飛機(jī)于1986年創(chuàng)下了不加油、不著陸連續(xù)環(huán)球飛行9天，航程40252千米的世界紀(jì)錄，其碳纖維構(gòu)造用量大于90%，飛機(jī)的構(gòu)造重量只有453千克，載油量3噸。軍用飛機(jī)中復(fù)合材料構(gòu)造件的成功應(yīng)用，給民用飛機(jī)的材料選擇帶來了宏大的影響，波音、空客等干線客機(jī)中復(fù)合材料在構(gòu)造材料中的應(yīng)用比例也越來越高?？湛蚢380是550座級(jí)超大型寬體客機(jī)，整機(jī)采用了較多的復(fù)合材料23%，大大減輕了飛機(jī)重量，減少了油耗和排放，降低了營(yíng)運(yùn)本錢。波音787“夢(mèng)想飛機(jī)那么是200座300座級(jí)飛機(jī)，航程隨詳細(xì)型號(hào)不同可覆蓋650016000千米。它使用碳纖維、有機(jī)纖維、玻璃纖維增強(qiáng)樹脂以及各

8、種混雜纖維的復(fù)合材料制造了機(jī)翼前緣、壓力容器、引擎罩等構(gòu)件，不僅使構(gòu)造重量減輕，還進(jìn)步了飛機(jī)的各種飛行性能。波音787中復(fù)合材料的用量達(dá)50%，這可使其比目前同類飛機(jī)節(jié)省20%的燃油消耗?？湛凸居捎谑艿讲ㄒ艄緩?fù)合材料高用量的威脅，方案在a350飛機(jī)上將復(fù)合材料的用量再次進(jìn)步到53%，以形成與波音787飛機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)。而倍受國(guó)人關(guān)注的國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)919復(fù)合材料的用量也將到達(dá)20%以上。復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用經(jīng)歷了從次承力構(gòu)件尾翼主承力構(gòu)件機(jī)翼機(jī)身主承力構(gòu)件的開展，已成為飛機(jī)構(gòu)造的主要材料。優(yōu)異的特性樹脂基復(fù)合材料具有許多優(yōu)異性能，尤其是非常合適在航天器構(gòu)造上使用。隨著航天器設(shè)計(jì)要求的不斷進(jìn)步，復(fù)合

9、材料及其工藝技術(shù)的開展和成熟，目前復(fù)合材料已逐步成為航天器構(gòu)造的主要材料，如航天器的主承載構(gòu)造、太陽(yáng)電池陣列構(gòu)造、天線構(gòu)造及其他有關(guān)部件均廣泛采用了復(fù)合材料。樹脂基復(fù)合材料到底具有哪些優(yōu)勢(shì)，讓它能具有如此強(qiáng)大的魅力呢？我們知道，普通碳鋼的密度一般為7.8克/立方厘米，而玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的密度通常只有1.52.0克/立方厘米。密度比玻璃纖維更小的碳纖維和有機(jī)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的密度就更低，這個(gè)特性成就了樹脂基復(fù)合材料的高比強(qiáng)度、比模量，使其具有優(yōu)異的輕質(zhì)、高強(qiáng)的特性。人造地球衛(wèi)星的質(zhì)量減輕1千克，運(yùn)載它的火箭質(zhì)量那么可以減輕1000千克，因此用復(fù)合材料來制造人造衛(wèi)星有很大的優(yōu)勢(shì)。二者樹脂基復(fù)合材料具有非常優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性，簡(jiǎn)單地說，就是樹脂基復(fù)合材料可以根據(jù)不同的用處要求，靈敏地進(jìn)展產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。如對(duì)于構(gòu)造件，可以根據(jù)受力情況合理布置增強(qiáng)材料，節(jié)約材料、減輕質(zhì)量；對(duì)于耐腐蝕性能要求的產(chǎn)品，選擇耐腐蝕