首页 > 航空 > 正文

复合材料在航空航天领域的应用, 给航空航天带来前所未有的发展

时间:2019-01-27 16:36:40        来源:

进入二十一世纪以来,我国航空航天事业得到前所未有的发展同时航空航天领域对于复合材料性能的要求不断提高,研发高性能的复合材料为必须解决的问题先进复合材料随之诞生,先进复合材料具有多功能性、经济效益最大化、结构整体性以及可设计性等众多优点,将先进复合材料应用在航空航天领域,能够有效地提高现代航空航天的性能,首先就是传统钢材料、铝材料相比之下减轻了航空航天器的近30%质量,在提高性能的同时,还能降低制造成本与运营养护成本,目前,先进复合材料已经成为飞船卫星飞机火箭甚至人机等航空航天器的应用材。

我国先进复合材料的研究早在20世纪70年代就已经开始,经过40多年的努力,我国在先进复合材料领域的技术水平不断提高,现阶段,我国逐渐实现了从完成了从次承力构件向主承力构件的过渡,先进复合材料已经被运用到广大领域,进入到了实践应用阶段,另一方面,与国外先进复合材料相比,现阶段我国先进复合材料在设计理念、制备方法、加工设备生产工艺以及应用规模上都存在差距,例如,我国军战斗复合材料的用量低于国外先进战斗机的复合材料用量,仅有少数的军用战斗机超过20%,例如J-20其复合材料的用量约为27%。我国成功研制的C919大型民用飞机,单架飞机的先进复合材料的用量超过16吨,标志着我国先进复合材料在航空航天领域的应用水平在不断提高。

复合材料的特性:结构整体化。先进复合材料能够被加工为整体部件,也就是应用先进复合材料部件来取代金属部件。在一些较为特殊的轮廓及表层比较复杂的部件当中,利用金属制造往往可行性相对较差,而应用先进复合材料往往便可有效满足于实际的工作需求。经济效益最大化。将先进复合材料应用于航空航天领域内,可实现对产品数量的大幅度精简。因对连接复杂的部件往往不需要采取焊接、铆接等方式,因而对于连接传统部件的需求量也便可以大大减少,进而使得材料的装配成本与时间也能够有效降低,提高效率从而实现经济效益的最大化。

可设计性。应用纤维、树脂、复合结构等方式可得到多种性能、形状存在明显差异化的复合材料,选取出适当的材料及铺层次序便可加工出没有膨胀系数的复合材料,同时其尺寸稳定性也要明显优于一般的金属材料。功能多样性。随着先进复合材料材料的不断发展,其不断融合了许多优异的物理性能、化学性能、生物性能、力学性能等。而且各类先进复合材料其本身的构成比例也不尽相同,在功能方面也会产生出一定的差异性,目前综合性及多功能性已成为先进复合材料发展的一项主流趋势。

金属、有机非金属、有机高分子等若干种材料运用复合工艺组成的新兴材料即是先进复合材料,先进复合材料不止能够保留原有组成材料的特点,还能够将各种组成材料的优良性能进行综合,相互补充和关联各种材料的性能,能够给新兴复合材料带来无可替代的优越性能。

先进复合材料简称ACM,指的是碳纤维等高性能增强相增强的复合材料。先进复合材料的多种性能都优于普通钢、铝金属材料,在航空航天领域的应用,能够有效地减轻航空航天设备的质量,同时赋予航空航天设备特殊的性能,例如吸波、防热等。

航空发动机中的应用:在航空发动机的结构设计中,高性能系统对于材料本身在轻型化与耐高温方面有着更加严苛的要求。新型材料与工艺技术的快速发展是为了服务于新一代航空发动机的发展要求,特别是最新的先进复合材料已经大规模应用在航空发动机中,例如将发动机的空气流通道中应用陶瓷基复合材料,便可仅需部分甚至无需冷却气体来冷却发动机的高温部位,从而也便可促使涡轮扇发动机的重量大大降低,发动机的运转效率也将达到更大水平,相应的发动机性能、耐久能力、燃油经济性等也便能够得到大幅度的提升。

无人机中的应用:在未来的航空领域发展过程中,无人机将是至关重要的一个发展方向,无人机的主流发展趋势便是飞行高度更高、时间更长、隐身效果更好,要想提高无人机制造效率、较小制造成本,复合材料的应用便将成为重要的一项技术工程。例如将石墨/环氧复合材料应用在无人机的尾翼部位,相较于传统的铝合金混合结构其重量可减小60%以上。此外,设计人员应用复合材料还能够实现传统金属材料所难以企及的空气动力学设计,如超声速飞行的前掠翼飞机。

导弹结构材料应用:碳纤维/环氧复合材料所制成的导弹结构相较于铝结构其重量将降低40%以上。目前许多发达国家在导弹发射筒的制造上也开始采用先进的复合材料,如美国的“MX”导弹、罗斯的“白杨M”导弹等。由于采用先进复合材料所制造出的导弹发射筒通过大幅度降低自身重量后能够显著提升导弹的灵活性。目前我国在这一方面也开展了相关的研究工作,并研发出了应用先进复合材料所制造的仪器舱,能够显著提升战略导弹的灵活性与机动性,有着十分出色的应用效果。

运载火箭的钢壳体材料中,某些发达国家早在上世纪50年代便开始应用用纤维缠绕成型的玻璃钢壳体,相比较于传统钢壳体,应用这一材料能够减轻超过50%以上的结构自重,在这一基础上,美国紧接着又研发了“MX”三级发动机壳体,芳纶/环氧复合材料在其壳体上的应用得到了十分优秀的效果,此种结构形式的壳体重量相较于纤维缠绕成型的玻璃钢壳体其重量又可进一步降低50%左右。在先进复合材料的快速发展过程中,将其应用于运载火箭发动机壳体当中的优势价值愈发突出。当前我国在运载火箭发动机壳体制造方面也开始逐渐采用先进复合材料,现已能够将芳纶/环氧材料以及玻璃纤维/环氧复合材料成功应用于运载火箭的发动机壳体之内。在运载火箭结构设计方面充分应用以先进复合材料,可实现对运载火箭发动机重量的大幅度减小,促进其发动机性能的显著提升。

卫星结构质量将会直接影响到卫星本身的功能特性,针对卫星结构采取轻型化设计现已成为卫星结构发展的一个主流趋势。对通讯卫星的推力桶应用先进复合材料制造,其重量相较于传统的铝结构可减小30%左右,所减小的重量可新增450条以上的电话线,并且还能够大幅度降低卫星发射成本,有着极高的经济性效果。

先进复合材料的应用已经成为评价航空航天器制造水平的重要标准,同时也是提高航空航天器结构先进性的重要物质基础和先导技术。由于我国先进复合材料的应用水平和国外发达国家还存在一定的差距,但是先进复合材料方面的研究已经被国家通过大量投入来强化,其发展前景良好。未来先进复合材料的发展主要表现在以下四个方面:

智能化。复合材料智能化研究,能够给国家创造经济效益和社会效益,在未来智能型先进复合材料会应用在航空航天器外表:在未来航空器表面增加各种传感器,能够对周围环境各种信息进行实时的检测,以及通信,使用电子设备和其它飞机系统,保证飞机在某些特殊情况下平稳操作。多功能化在减小航空航天器体积的基础上,为了满足航空航天器的突防能力要求,许多结构部件需要同时具备多种功能以及优良的性能,现阶段,多功能先进复合材料的研究已经从双功能型向三功能型方向甚至多功能方向转变。质量轻、性能高目前,使用先进复合材料可以使航空航天器的质量减轻20%左右,如果以现在的成绩与国外的先进复合材料相减重25%以上的成绩相比还存在不小差距,原因是现阶段我国先进复合材料的整体性能较低,因此,在未来的发展过程中,应该加强对复合材料强度、抗弯、抗剪能力以及整体性等方面的研究,研发出整体性好、强度高和韧性高的先进复合材料。

综上所述,虽然经过了40多年迅猛的发展,我国先进复合材料工业已经发展为了一个成熟的体系,并且在航空航天领域也到了实践应用,得到了良好的反馈,但是与国外发达国家相比,还存在一些差距,所以我国先进复合材料研究、研发人员和生产企业应该加快先进复合材料结构、制造技术、生产工艺等方面的研究,同时也要借鉴国外的相关经验和技术,解决未来可能出现的各种问题,以此进一步提高我国航空航天领域科技水平和技术水平。

    阅读下一篇

    为何航空公司宁愿“机毁人亡”,

    近些年,飞机失事的报道屡见不鲜,那么,为什么乘客不跳伞逃生呢?今天我们就来谈谈,为何航空公司宁可准备数亿赔款,也不想遇难时让乘客跳伞