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科技复合材料在航空国防领域的发展及应用

来源:浙江浦江新志复合材料科技有限公司浏览数:139

江苏柏鹤化工技术指引】复合材料的发展对航空装备的发展有着重要意义。飞机性能一半取决于设计,另一半取决于材料。材料的优劣对速度、高度、航程、机动性、隐身性、服役寿命、安全可靠性、可维修性等性能起无可置疑的重大影响。根据统计,飞机减重中有70%是由航空材料技术进步贡献的。飞机机体的材料结构已经经历了四个发展阶段,复合材料的广泛使用使其正在迈入第五阶段。这五个阶段为:
  第一阶段(1903~1919年),木、布结构;
  第二阶段(1920~1949年),铝、钢结构;
  第三阶段(1950~1969年),铝、钛、钢结构;
  第四阶段(1970~21世纪初),铝、钛、钢、复合材料结构(以铝为主);
  第五阶段(21世纪初至今。):复合材料、铝、钛、钢结构(以复合材料为主)。
  使用碳纤维增强树脂基复合材料的飞机,在减轻飞机重量、减少燃油、减少维修成本和延长飞机使用寿命上有明显优势,而传统的铝合金材料则会随着时间推移被慢慢腐蚀,降低飞机安全性。采用50%复合材料的波音B787飞机维修费用在服役数年后依旧稳定,而传统的铝合金结构飞机B767飞机维修成本将大幅上升。波音公司指出,复合材料将成为“航空航天结构的未来”。
  复合材料在航空领域的发展大致经历了次承力构件—尾翼级主承力构件—机翼—机身主承力构件四个阶段,逐渐由小型构件向大型核心构件,由军用向民用发展。在欧美,20世纪60年代是复合材料的研发阶段,70年代进入应用阶段,此后复合材料在飞机上的应用比例逐步提升。
  (一)军用飞机
  作为一项新兴的材料技术,复合材料首先在军用飞机上得到应用。
  60年代,玻璃纤维增强复合材料首先开始应用于飞机的整流罩、襟副翼中。此时,复合材料力学性能还相对较低,应用复合材料制造的飞机零部件尺寸小、受力水平小。
  60年代后期,硼纤维/环氧树脂复合材料开始应用于飞机结构上。例如,F-14于1971年开始将硼纤维增强环氧树脂复合材料应用在平尾上。
  70年代中期,诞生了以碳纤维为增强体的高性能复合材料,开启了复合材料在飞机上的大规模应用。具有卓越高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲劳性能的碳纤维增强复合材料非常适合航空装备需求。军机的垂尾、平尾等受力较大、尺寸较大的部件开始逐步使用碳纤维增强复合材料,如F-15、F-16、Mig-29、幻影2000、F/A-18等飞机的复合材料尾翼、垂尾。从70年代至今,国外军机尾翼已经全部采用复合材料。采用复合材料的平尾、垂尾一般占飞机全部结构重量的5%-7%。
  在尾翼进入复合材料时代后,复合材料的应用开始向军机的机翼、机身等结构受力大、尺寸大的主要构件发展。1976年,麦道公司率先研制了F/A-18复合材料机翼,并于1982年正式进入服役,把复合材料用量提高到13%。此后各国所研制的军机的机翼也几乎全部采用了复合材料。例如美国的AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35、法国的“阵风”、瑞典的JAS-39、欧洲四国联合研制的“台风”,俄罗斯的S-37等。
  目前世界先进军机中复合材料用量占全机结构重量的20%-50%不等,主要应用复合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、机翼、中前机身等。如果复合材料占飞机总重量的50%左右,则全机绝大部分结构件由复合材料制成,如B-2隐形轰炸机。
  (二)民用飞机
  民用飞机更加考虑飞机的安全性和经济性,因此在复合材料的应用上比较谨慎。但随着复合材料技术的进步和制造成本的降低,20世纪70年代开始,民机也逐步开始使用复合材料部件。与军机类似,民机复合材料的部件也从小承力构件向主承力构件发展。
  以美国为例,复合材料在民机的应用大概经历了4个过程。
  第一个阶段,20世纪70年代中期,复合材料主要应用于受力较小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件上。
  第二个阶段,20世纪80年代中期,复合材料主要应用在受力较小的升降舵、襟副翼等构件。
  第三个阶段,复合材料应用在受力较大的垂尾、平尾等构件上。例如波音777飞机的垂尾、平尾都采用了复合材料,复合材料占结构总重量的11%。
  第四个阶段,复合材料在飞机最主要受力部件机翼、机身上得到应用。波音787梦想飞机的复合材料用量为50%,超过了铝、钢、钛等金属材料重量的总和。主要应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位,是第一个采用复合材料机翼和机身的大型商用客机。
  在欧洲,空中客车公司也从20世纪70年代中期开始了碳纤维增强复合材料在A300系列飞机上的应用研究。1985年,完成了对A320飞机复合材料垂尾的研制,此后A300系列飞机尾翼一级的部件均采用了复合材料,并将复合材料用量迅速推进到15%,超过了波音公司。
  空中客车A380飞机的复合材料用量在25%左右,主要应用在中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身地板梁和后承压框等部位。并采用了大量的先进复合材料,比如全球最大树脂膜浸渗成型的机身后承压框,应用玻璃纤维增强铝合金材料(Glare)的机身上壁板等等。
  空客新一代飞机也将迈入以复合材料为主的时代。空客的A400M大型运输机将采用35%-40%的复合材料,主要应用区域包括机翼、垂尾、平尾和螺旋桨叶片等。2013年首飞的A350WB则采用了52%的复合材料,超过了波音B787的50%。
  (三)直升机
  直升机对复合材料应用非常显著。军用、民用和轻型直升机均大量应用碳纤维复合材料,的直升机复合材料用量已达到结构重量的40%-60%。例如,美国武装直升机科曼奇(RAH-66)的复合材料使用量为50%;欧洲NH-90直升机的复合材料使用量达到80%,接近全复合材料结构。
  V-22旋翼飞机是一种新型的飞行结构,可以垂直起降,倾旋转翼后又能高速巡航,复合材料使用量为51%,包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等均为复合材料制成,也是一个全复合材料的飞机。
  (四)无人机
  军用无人机对减重有着迫切的需求,因此复合材料大量应用于无人机上。例如,美国X-45系列飞机的复合材料用量达90%以上;X-47系列飞机基本上为全复合材料飞机,“全球鹰”无人侦察机复合材料用量达65%,其中机翼、尾翼、后机身、大型雷达罩等均由复合材料制成;欧洲的试验无人机“梭鱼”、美国远程攻击无人机“臭鼬”等的情况也基本如此。
  (五)航空发动机
  复合材料的用量和占比也成为衡量航空发动机先进程度的一个度量。根据冷热端工作温度的不同,航空发动机相应采用了多种不同基体的复合材料进行应用。
  树脂基复合材料优异的比强度和比模量性能对于高推比航空发动机的减重、提高推进效率、降低噪声和排放以及降低成本等都具有重要意义,主要应用在航空发动机的冷端部件上,工作温度在150-200℃以下,例如涡扇发动机压气机叶片、导向叶片及其框架组件、涡扇发动机鼻锥及整流装置等。
  在热端部件上,由于高温等特殊条件的要求,金属基、陶瓷基及碳/碳复合材料有着重要应用。
  SiC长纤维增强钛基复合材料(Ti-MMC)具有高比强度、高比刚度、耐高温、抗疲劳性好和蠕变性能好的优点,Ti-MMC叶环代替压气机盘可使零部件减重70%。未来航空发动机压气机叶片和镜子叶片、整体叶环、机匣和涡轮轴等都将采用金属基复合材料进行制造。陶瓷基复合材料一直是高温材料研究的重点,精细陶瓷和氮化硅制造的发动机部件可以在1371℃温度下工作,性能甚至优于高温合金,但脆性问题目前仍然没有解决。
  碳/碳复合材料同样具备低密度、高比强、高比模量、抗热冲击好等优点,是目前在1650℃以上工作温度下唯一备选材料,最高理论温度达到2600℃,被认为最有前途的高温材料。
  (六)其他国防军工行业
  复合材料高比强度、高比模量、可设计性的特点,使得复合材料在非航空国防工业中也有重要应用。
  纤维增强复合材料具有放热、隔热、耐高温等特性,广泛的应用于航天工业上。例如,在防热方面,高强度玻璃纤维树脂基复合材料可以用作多管远程火箭弹和空空导弹结构材料和耐烧蚀隔热材料,实现了喷管收敛段、扩张段和尾翼架整体化,大大减轻了武器质量,提高战术性能。
  在卫星和航天器上,美国和欧洲的卫星结构质量不到总质量的10%,原因就是广泛使用了先进复合材料。目前,卫星的微波通信系统、能源系统和各种支撑结构件基本上实现了复合材料化。
  碳纤维复合材料在固体火箭发动机上也得到了较好的应用,“飞马座”、德尔塔运载火箭,“三叉戟”II、“侏儒”导弹型号均采用了复合材料的固体火箭发动机。美国的战略导弹MX导弹、俄罗斯战略导弹“白杨”M导弹等均采用了先进复合材料的发射筒。
  舰船复合材料技术也有迅速的发展,已基本达到了实际应用水平,简化制造、降低成本成为当前技术的重点。美国海军装备已经大量应用复合材料,例如“福特”号航母、“弗吉尼亚”级潜艇、DDG1000驱逐舰等。英国海军的45型驱逐舰也安装了夹芯结构复合材料的综合桅杆,具有隐身、减少天线维护等有点;英国“机敏”级潜艇泵喷推进器的导管也采用了纤维增强泡沫夹芯复合材料。

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