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当一飞冲天的聚合物及复合材料

发布时间:2021-09-14 18:54:41 阅读: 来源:标刻机厂家

一飞冲天的聚合物及复合材料

一代材料技术,一代大型飞机,100多年来,材料工业与航空航天工业一直在相互推动下发展。继铝、钢、钛等材料后,在新一代民用大型客机中,复合材料成为四大航空材料之一,并有望坐上飞机材料使用量的“头把交椅”。

现在,越来越多飞机零部件开始采用复合材料,从座椅、肋板、内部装饰、舷窗、引擎罩盖,到机翼、机身和导流罩等。复合材料当之无愧成为现代飞机制造的重要材料。在众多复合材料中,飞机上使用的以纤维增强树脂为主,其中又以碳纤维增强树脂最有突出。

巨无霸与梦幻飞机之材料较量

全球两大航空巨头欧洲空客(Airbus)和美国波音(Boeing)都在其飞机中开始大量采用复合材料。号称目前全球“最先进、最宽敞和最环保”的空客公司的空中巨无霸A380客机除体积庞大外,还创造了其他许多新的纪录,尤其是大量轻型复合材料的应用。

A380约25%由复合材料制造,其中22%由各种不同的增强型塑料复合材料制成,大部分是Hexcel公司和Cytec公司提供的碳纤维增强环氧树脂(CFRP)。其中,减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。

特别值得一提的是,A380首次在连接机翼与机身的非常重要的主体结构—中央翼盒采用了复合材料。该翼盒采用CFRP,A380中央翼盒重8.8吨,其中5.3吨是复合材料。由于采用了CFRP使翼盒比采用目前最先进的铝合金材料减轻了1.5吨。最新一代碳纤维复合材料除比传统材料重量更轻外,还在使用可靠性、可维护性和易修理性上具有明显的优势,如CFRP在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。此外,A380还首次在后压力舱后部的后机身采用了复合材料。

另外3%的复合材料为首次用于民用飞机的GLARE纤维金属板,主要用于机身上部外壳和尾翼的主边缘。GLARE是一种铝材和玻璃纤维交替粘合的层制材料,除密度比铝小10%(重量上轻800千克)外,还被证实在抗疲劳和防火、抗损伤方面性能更出众。

从1985年制造A310飞机开始,空客公司对在便可自行解决飞机的主要结构采用复合材料已有20多年的经验。与空客一样,波音对复合材料的应用也在逐步增长,到20世纪90年代,B777上的复合材料重量已占到20%,其中水平尾翼就是一个大型的复合材料构件。

波音最大胆的尝试是号称“梦幻飞机”的B787,复合材料用量占结构重量的50%,机身、机翼等主承力构件都采用复合材料。曾有报道这样形容B787:“787的结构就是一个庞大的巨分子,所有部件都是通过碳纤增强的交联化学键连接在一起。”其复合材料由世界最大的碳纤生产商Toray Industries公司提供。复合材料机身的优异强度使客舱内出现更高的耐压且操作较为复杂力,使客舱内温度、湿度和通风更易控制,增加乘坐舒适度。

由于看到复合材料的优越性能,空中客车也表示,将把继A380之后的下一代商用飞机A350XWB的复合材料用量由最初的37%提高到52%。复合材料为何如此受飞机设计师们的青睐呢?

减重、性能、成本是飞机选材的三大考虑因素,而复合材料正是这三方面综合权衡下的理想材料。密度低、强度高,比强度(强度与密度之比)大是复合材料的先天优点,因此减重的优势不言而喻。

性能方面,首要考虑的是保证飞机的安全性,复合材料比强度高、比刚度大、可设计性强及良好的抗疲劳损伤性能和耐腐蚀性能,这些都有利於提升飞机的安全性。先进复合材料发展应用的30多年来,其在各种民机上的应用日益增多,但从未因此引发飞行事齿轮齿杆过脏故,无疑增加了应用复合材料的信心和安全置信度。

成本方面,复合材料本身的价格并不低,不过由于更容易制成整体结构件,减少零部件和连接件的使用,进一步减少燃油费用,同时还可降低使用维护要求和成本等,波音公司称,由于复合材料的应用,B787较B767降低成本30%。

超轻的太阳能飞机

6月26日,瑞士冒险家贝特朗·皮卡尔在瑞士苏黎世机场向外界展示了全球首架可昼夜飞行的太阳能飞机“阳光动力”(Solar Impulse),它的任务是测试用太阳能进行36小时昼夜飞行的可行性。由于这是人类第一次要完全利用太阳能进行夜间飞行,其飞行存在诸多风险,为此,试飞也将逐步展开。今年秋天进行首次试飞,明年完成首次夜间飞行,并跨越整个瑞士,後年环游世界,届时将经停多个国家,包括中国。

该飞机外观看上去像滑翔机,或者说像一只巨大的蜻蜓,因为其翼展长63.4米,机舱却十分狭小。由于主要采用超轻碳纤维复合材料打造,整个飞机重量只有2吨,机翼表面装有超过1.2万块太阳能电池板,为飞机的四台发动机提供可再生能源。每台发动机的最大功率为10马力,夜间飞行依靠白天收集的多余能量。

简单来说,这架太阳能飞机的机翼有A340那么大,但由于大量采用超轻复合材料,其重量只相当于一辆普通汽车,动力也仅类似于一部摩托车。

这架花费6年时间设计制造、造价高达7000万欧元的飞机获得了多家公司的赞助,其中苏威(Solvay)是该项目的首家主要赞助商和技术支持者,协助开发替代性及可再生能源和材料。除超轻碳纤维复合材料外,苏威旗下苏威先进聚合物公司推出的Spire超高性能聚合物也为“阳光动力”飞机的成功做出了贡献。

Spire超高性能聚合物应用到航空航天的多个领域,如五金器具、紧固件、机械零件等。该系列产品主要包括Torlon聚酰胺酰亚胺(PAI),KetaSpire聚醚醚酮(PEEK),AvaSpire改性聚醚醚酮和PrimoSpire自增强聚合物(SRP),这些产品具有优异的耐磨性、高强度、良好的耐热性和尺寸稳定性,以及广泛的耐化学品性和固有的阻燃性、减重、设计灵活,可替换那些长期依赖於金属的零件,其生产可采用标准的热塑性塑料熔融加工工艺。

包括Spire超高性能聚合物在内的苏威许多先进材料都应用到这个太阳能飞机上。如,摩擦控制隔圈和定子使用了Torlon PAI材料,使节气门系统重量减轻了35%,它还为襟翼和着陆系统的滚轮衬套提供了高强度和刚性、范围广泛的耐高低温性能(高空可低至-50℃,而在地面可高至90℃);摩擦控制轴采用碳纤维增强型KetaSpire PEEK;螺丝、螺帽、垫圈、印制线路板垫片采用PrimoSpire SRP。相比铝和钛,PrimoSpire SRP制造的耐腐蚀紧固件可减轻50%-70%的重量,材料的比强度好于铝或不锈钢,接近于钛。

Torlon PAI是一种高强度塑料,在275℃条件下强度和刚度在热塑性塑料中居最高,耐磨损性、耐蠕变性、耐化学性极为突出,非常适合苛刻环境中的应用,在飞机上的应用主要为五金和紧固件、机械元件。

KetaSpire PEEK和AvaSpire改性PEEK是两种具有极佳耐化学性、出色机械性能和加工性能的超高性能聚合物,其中前者是所有半结晶塑料中耐化学性最强的材料,而且在300℃高温下其机械性能保持完好无损,在飞机上的典型应用包括五金和紧固件、机械元件、管道和风机叶轮等。

PrimoSpire SRP是一种透明无定形塑料,无须增强就具备卓越的强度和刚性,还具有塑料材料中最高的压缩强度,是结构性应用的理想选择,此外还具有优异的耐化学性和阻燃性,比任何未填充的塑料有更显着的强度和刚性,在飞机上主要用于内饰实验宽度:30 mm(标配夹具)件、机械元件,如带螺纹的紧固件、支撑托架和仪器仪表箱和防热套等。

聚合物在航空航天领域应用潜力无限

除航空领域的应用外,高性能聚合物及复合材料在火箭、导弹、卫星、航天飞机及载人飞船等航天领域也有十分广泛的使用。

以高性能碳纤维复合材料为代表的先进复合材料在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上,碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等的重要防热材料,已得到成熟应用。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作,太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。

随着科学技术的进步,高性能聚合物及复合材料的优越性将不断被发掘,得到更多的应用,而随着产量的不断增大,生产成本有望稳步下降。不过,值得注意的是,在聚合物及复合材料不断开发进步的同时,其他先进材料(如铝、铝-钛合金等)也在开发新的技术,因此,未来谁将称霸航空航天材料巿场,还有待继续在减重、成本和性能三方面综合优势的进一步提升。

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