復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于飛機(jī)工業(yè)，使工程師克服了單獨(dú)使用材料時(shí)遇到的障礙。組成材料在復(fù)合材料中保持其特性，不溶解或以其他方式完全融合在一起。這些材料一起創(chuàng)造了一種改善結(jié)構(gòu)性能的“混合”材料。

輕質(zhì)、耐高溫復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)將使下一代高性能、經(jīng)濟(jì)的飛機(jī)設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)。使用這種材料將減少燃料消耗，提高效率，降低飛機(jī)的直接運(yùn)營(yíng)成本。

復(fù)合材料可以形成各種形狀，如果需要，纖維可以緊緊纏繞以增加強(qiáng)度。復(fù)合材料的一個(gè)有用的特性是它們可以分層，每層中的纖維都朝著不同的方向運(yùn)動(dòng)。這使得工程師可以設(shè)計(jì)具有獨(dú)特性能的結(jié)構(gòu)。例如，一個(gè)結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計(jì)成在一個(gè)方向彎曲，而不是在另一個(gè)方向彎曲。

波音787夢(mèng)幻客機(jī)各種材料的使用情況

復(fù)合材料的合成

在基本復(fù)合材料中，一種材料作為支撐矩陣，而另一種材料則建立在這個(gè)基礎(chǔ)上并加強(qiáng)整個(gè)材料。這種材料的形成是一個(gè)昂貴而復(fù)雜的過(guò)程。本質(zhì)上，基材是在高溫高壓下在模具中鋪開(kāi)的。然后，將環(huán)氧樹(shù)脂或樹(shù)脂倒在基材上，當(dāng)復(fù)合材料冷卻時(shí)，就會(huì)形成一種堅(jiān)固的材料。還可以通過(guò)將二次材料的纖維嵌入到基體中來(lái)生產(chǎn)該復(fù)合材料。

復(fù)合材料具有良好的抗拉強(qiáng)度和抗壓縮性能，適合用于飛機(jī)零件制造。這種材料的抗拉強(qiáng)度來(lái)自于它的纖維性質(zhì)。當(dāng)施加拉伸力時(shí)，復(fù)合材料中的纖維與施加力的方向?qū)R，從而獲得拉伸強(qiáng)度。其良好的抗壓性能可歸因于基體體系的粘結(jié)性和剛度性能。樹(shù)脂的作用是使纖維保持直柱狀并防止其彎曲。

航空及復(fù)合材料

復(fù)合材料對(duì)航空工業(yè)很重要，因?yàn)樗鼈兙哂信c金屬合金相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但重量更輕。這將提高飛機(jī)的燃油效率和性能。

1.復(fù)合材料在航空工業(yè)中的作用

璃纖維是最常見(jiàn)的復(fù)合材料，由嵌入樹(shù)脂基體的玻璃纖維組成。玻璃纖維在20世紀(jì)50年代首次廣泛用于船舶和汽車(chē)。玻璃纖維在20世紀(jì)50年代首次用于波音707客機(jī)，當(dāng)時(shí)它只占整個(gè)結(jié)構(gòu)的2%。波音公司制造的每一代新飛機(jī)都增加了復(fù)合材料的使用比例;最高的是787夢(mèng)幻客機(jī)50%的復(fù)合材料使用率。

波音787夢(mèng)想飛機(jī)將是第一架主要結(jié)構(gòu)部件由復(fù)合材料而不是鋁合金制成的商用飛機(jī)這款飛機(jī)將從老式的玻璃纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)向更先進(jìn)的碳層壓和碳夾層復(fù)合材料。夢(mèng)幻客機(jī)的翼盒曾遇到過(guò)問(wèn)題，原因是用于制造該部件的復(fù)合材料剛度不足這導(dǎo)致了飛機(jī)最初交付日期的延遲。為了解決這些問(wèn)題，波音公司正在通過(guò)在已經(jīng)建造的翼盒上增加新的支架來(lái)加強(qiáng)翼盒，同時(shí)對(duì)尚未建造的翼盒進(jìn)行修改。

2.復(fù)合材料的測(cè)試

由于材料的復(fù)雜性，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬很難準(zhǔn)確地模擬復(fù)合材料部件的性能。復(fù)合材料通常是層層疊加以增加強(qiáng)度，但這使制造前的測(cè)試階段復(fù)雜化，因?yàn)檫@些層的方向不同，很難預(yù)測(cè)它們?cè)跍y(cè)試時(shí)的表現(xiàn)。

也可以對(duì)零件進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力測(cè)試。這些測(cè)試從小型模型開(kāi)始，然后逐步進(jìn)行到結(jié)構(gòu)的較大部分，最后到整個(gè)結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)部件被放入液壓機(jī)中，通過(guò)彎曲和扭曲來(lái)模擬遠(yuǎn)超真實(shí)飛行中最糟糕預(yù)期條件的壓力。

3.復(fù)合材料使用因素

重量減輕是復(fù)合材料使用的最大優(yōu)勢(shì)，也是決定其選擇的關(guān)鍵因素之一。其他優(yōu)點(diǎn)包括它的高耐腐蝕性和抗疲勞損傷。這些因素從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看對(duì)降低飛機(jī)的運(yùn)行成本，進(jìn)一步提高其效率起到了一定的作用。復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是它們可以用成型工藝制成幾乎任何形狀，但這加劇了本已困難的建模問(wèn)題。

使用復(fù)合材料的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它們是一種相對(duì)較新的材料，因此成本較高。高成本還歸因于勞動(dòng)密集型和通常復(fù)雜的制造過(guò)程。復(fù)合材料很難檢查缺陷，而其中一些材料會(huì)吸收水分。

相比之下，盡管鋁更重，但卻容易制造和修理。它可以被撞凹或刺穿，但仍然保持在一起。復(fù)合材料不是這樣的;如果它們損壞了，就需要立即修復(fù)，這既困難又昂貴。

4.節(jié)省燃料，減輕重量

燃油消耗取決于幾個(gè)變量，包括:飛機(jī)干重、有效載荷重量、飛機(jī)齡、燃料質(zhì)量、空速、天氣等。復(fù)合材料制造的飛機(jī)部件的重量減少了大約20%，例如787夢(mèng)想飛機(jī)。

5.環(huán)境影響

向綠色工程的轉(zhuǎn)變更加明顯。我們的環(huán)境受到當(dāng)今社會(huì)越來(lái)越多的思考和關(guān)注。復(fù)合材料制造也是如此。

如前所述，復(fù)合材料具有較輕的重量和與較重材料相似的強(qiáng)度值。當(dāng)較輕的復(fù)合材料運(yùn)輸或在運(yùn)輸應(yīng)用中使用時(shí)，與較重的替代品相比，環(huán)境負(fù)荷較低。復(fù)合材料也比金屬基材料更耐腐蝕，這意味著零件的使用壽命更長(zhǎng)從環(huán)境的角度來(lái)看，這些因素結(jié)合在一起使復(fù)合材料成為很好的替代材料。

傳統(tǒng)生產(chǎn)的復(fù)合材料是由石油纖維和樹(shù)脂制成的，本質(zhì)上是不可生物降解的這就產(chǎn)生了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)橐坏?fù)合材料的生命周期結(jié)束，大多數(shù)復(fù)合材料就會(huì)被扔進(jìn)垃圾填埋場(chǎng)由天然纖維制成的可生物降解復(fù)合材料正在進(jìn)行重要的研究生物可降解復(fù)合材料的發(fā)現(xiàn)可以很容易地大規(guī)模制造，并且具有與傳統(tǒng)復(fù)合材料類(lèi)似的性能，這將給包括航空工業(yè)在內(nèi)的幾個(gè)行業(yè)帶來(lái)革命性的變化。

幫助環(huán)保工作的另一種選擇是回收退役飛機(jī)的舊部件。飛機(jī)的“非工程化”是一個(gè)復(fù)雜而昂貴的過(guò)程，但由于購(gòu)買(mǎi)一手零件的成本很高，可能會(huì)為公司節(jié)省資金。

——陶瓷基復(fù)合材料

美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)正在大力開(kāi)發(fā)用于飛機(jī)部件的輕質(zhì)高溫復(fù)合材料。根據(jù)初步計(jì)算，一個(gè)概念發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)氣道溫度預(yù)計(jì)將高達(dá)1650°C為了使材料能夠承受這樣的溫度，需要使用陶瓷基復(fù)合材料(cmc)。在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中使用cmc還可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度，從而提高產(chǎn)量雖然cmc是一種很有前途的結(jié)構(gòu)材料，但由于缺乏合適的增強(qiáng)材料、加工困難、壽命和成本等原因，其應(yīng)用受到了限制。

蜘蛛絲是另一種很有前途的復(fù)合材料。蜘蛛絲具有很高的延展性，可以拉伸到正常長(zhǎng)度的140%蜘蛛絲在零下40攝氏度的低溫下也能保持強(qiáng)度這些特性使蜘蛛絲成為生產(chǎn)韌性復(fù)合材料的理想纖維材料，即使在異常溫度下也能保持其強(qiáng)度。韌性復(fù)合材料將有利于飛機(jī)的部分，將受到可變應(yīng)力，如機(jī)翼與主機(jī)身的連接。這種復(fù)合材料增加的強(qiáng)度、韌性和延展性將允許在災(zāi)難性故障發(fā)生之前對(duì)部件或連接處施加更大的應(yīng)力。以合成蜘蛛絲為基礎(chǔ)的復(fù)合材料還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是它們的纖維是可生物降解的。

在實(shí)驗(yàn)室里，人們?cè)啻螄L試復(fù)制蜘蛛絲，但都沒(méi)有成功，但還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完美的再合成。

結(jié)論

由于復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度重量比，與傳統(tǒng)金屬材料相比具有優(yōu)勢(shì);雖然，目前制造復(fù)合材料是昂貴的。在引入技術(shù)以降低初始實(shí)施成本并解決當(dāng)前復(fù)合材料不可生物降解的問(wèn)題之前，這種相對(duì)較新的材料將無(wú)法完全取代傳統(tǒng)的金屬合金。

此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)翻譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。