航空工业中的复合材料：应用现状与未来趋势
航空工业中的复合材料：应用现状与未来趋势
复合材料在航空工业中的应用正日益广泛，其轻质、高强度的特性为飞机设计带来了革命性的变化。从波音787梦想飞机的50%复合材料使用率，到未来陶瓷基复合材料和蜘蛛丝纤维等新型材料的研发，复合材料不仅提高了飞机的燃油效率和性能，还为环境保护提供了新的解决方案。本文将为您详细介绍复合材料在航空领域的应用现状与未来发展趋势。
复合材料的基本特性与制造
复合材料是将两种或多种材料结合在一起，形成一种具有改进结构性能的“混合”材料。在复合材料中，每种组成材料都保留其原有的特性，不会完全融合。这种材料结合方式使得工程师能够设计出具有独特性能的结构。
基础复合材料的制造过程通常包括以下几个步骤：
- 在高温高压下将基础材料基质铺在模具中
- 将环氧树脂或树脂倒在基础材料上
- 当复合材料冷却时形成坚固的材料
复合材料的抗拉强度和抗压强度都很好，这得益于其纤维性质。当施加拉力时，复合材料中的纤维会与施加力的方向对齐，产生抗拉强度。树脂的作用是保持纤维为直柱并防止其弯曲。
航空工业中的应用现状
复合材料对航空业至关重要，因为它们的结构强度可与金属合金相媲美，但重量更轻。这可以提高飞机的燃油效率和性能。
玻璃纤维是最常见的复合材料，由嵌入树脂基质的玻璃纤维组成。玻璃纤维最初在20世纪50年代广泛用于船舶和汽车。20世纪50年代，玻璃纤维首次用于波音707客机，约占飞机结构的2%。波音公司制造的每一代新飞机的复合材料使用率都在增加；最高的是787梦想飞机，复合材料的使用率达到50%。
波音787梦想飞机将成为第一架主要结构件由复合材料而非铝合金制成的商用飞机。这款飞机将从过时的玻璃纤维复合材料转向更先进的碳层压板和碳夹层复合材料。梦想飞机的翼盒出现了一些问题，原因是用于制造该部件的复合材料刚度不足。这导致飞机的初始交付日期被推迟。为了解决这些问题，波音公司正在通过在已建造的翼盒上添加新支架来增加翼盒的刚度，同时修改尚未建造的翼盒。
复合材料的测试与评估
由于复合材料的复杂性质，很难通过计算机模拟准确模拟复合材料部件的性能。复合材料通常层层叠加以增加强度，但这使制造前的测试阶段变得复杂，因为各层的方向不同，很难预测它们在测试时的表现。
机械应力测试也可以在部件上进行。这些测试从小比例模型开始，然后逐渐转移到结构中较大的部分，最后是整个结构。结构部件被放入液压机中，液压机对其进行弯曲和扭曲，以模拟远远超出实际飞行中最糟糕的预期条件的应力。
使用复合材料的优势与挑战
减轻重量是使用复合材料的最大优势，也是选择复合材料的关键因素之一。其他优势包括高耐腐蚀性和抗疲劳性。从长远来看，这些因素有助于降低飞机的运营成本，进一步提高飞机的效率。复合材料的优势在于，它们可以通过成型工艺制成几乎任何形状，但这使本来就很困难的建模问题变得更加复杂。
使用复合材料的主要缺点是它们是一种相对较新的材料，因此成本较高。高成本还归因于劳动力密集且通常复杂的制造过程。复合材料很难检查是否有缺陷，而且其中一些会吸收水分。
相比之下，铝虽然更重，但易于制造和修复。即使铝被压凹或刺穿，它仍能保持完整。而复合材料则不然，一旦损坏，需要立即修复，这既困难又昂贵。
燃油消耗与环境影响
燃油消耗取决于几个变量，包括：飞机干重、有效载荷重量、飞机年龄、燃油质量、空速、天气等。由复合材料制成的飞机部件的重量减少了约20%，例如787梦想飞机。
以下是重量减轻20%的情况下预期节省的燃料的计算，这只会将OEW值降低20%：
- OEW（新）= 129,300kg * 0.8 = 103,440kg，相当于减轻了25,860kg的重量。
假设货物和燃料重量保持不变： - MZFW（新）= MZFW - 25,680千克= 152,320千克
- 最大起飞重量（新）=最大起飞重量-25,680千克=249,320千克
97,000公斤的燃料重量需要处理的最大起飞重量减少，因此航程会增加，因为最大重量和最大航程是成反比的。
使用简单比率计算新的范围：
249，320钾G275，000钾G=10，458钾米X钾米
求解X可得出新的范围：
- X = 11,535.18公里
这给出了减轻重量后的燃油消耗的新值 = 97,000kg/11,535.18km = 8.409kg/km
具体来说，在10,000公里的行程中，将节省约8,660公斤的燃料，空重减少20%。
回收退役飞机的零部件是可能的。
绿色工程的发展趋势愈发明显。当今社会越来越重视和关注我们的环境。复合材料制造也是如此。
如前所述，复合材料重量更轻，强度与较重的材料相似。当运输较轻的复合材料或将其用于运输应用时，与较重的替代品相比，其环境负荷较低。复合材料也比金属基材料更耐腐蚀，这意味着零件的使用寿命更长。从环境角度来看，这些因素结合起来使复合材料成为良好的替代材料。
传统生产的复合材料由石油基纤维和树脂制成，本质上不可生物降解。这带来了一个重大问题，因为大多数复合材料在其生命周期结束后都会被填埋。目前，人们正在对由天然纤维制成的可生物降解复合材料进行大量研究。可生物降解复合材料易于大规模生产，且具有与传统复合材料相似的性能，这一发现将彻底改变包括航空业在内的多个行业。
另一个有助于环保的方案是回收退役飞机的旧零件。飞机的“拆卸”是一个复杂且昂贵的过程，但由于购买一手零件的成本很高，因此可以为公司节省资金。
未来复合材料的发展方向
陶瓷基复合材料
美国国家航空航天局(NASA)正在大力开发用于飞机部件的轻质耐高温复合材料。根据初步计算，概念发动机的涡轮进气口温度预计高达1650°C。为了使材料能够承受这样的温度，需要使用陶瓷基复合材料(CMC)。在先进发动机中使用CMC还可以提高发动机的运行温度，从而提高产量。尽管CMC是一种很有前途的结构材料，但由于缺乏合适的增强材料、加工困难、寿命和成本等原因，其应用受到限制。
蜘蛛丝纤维
蜘蛛丝是另一种很有前途的复合材料。蜘蛛丝具有很高的延展性，纤维可拉伸至正常长度的140%。蜘蛛丝在低至-40°C的温度下也能保持其强度。这些特性使蜘蛛丝成为生产延展性复合材料的理想纤维材料，这种复合材料即使在异常温度下也能保持其强度。延展性复合材料将有利于飞机中承受可变应力的部件，例如机翼与机身的连接。这种复合材料的强度、韧性和延展性增加，可以在发生灾难性故障之前对部件或连接处施加更大的应力。合成蜘蛛丝基复合材料还具有纤维可生物降解的优势。
人们曾多次尝试在实验室中复制蜘蛛丝，但都没有成功，完美的再合成尚未实现。
混合复合钢板
另一种有前途的材料是不锈钢，其灵感来自复合材料、纳米技术纤维和胶合板。钢板由相同的材料制成，能够以与传统钢材完全相同的方式进行处理和加工。但在强度相同的情况下，重量要轻一些。这对于汽车制造尤其有价值。瑞典公司Lamera正在申请专利，该公司是沃尔沃工业公司研究部门的子公司。
结论
由于复合材料具有较高的强度重量比，因此比传统金属材料更具优势；尽管目前制造复合材料的成本很高。除非引入技术来降低初始实施成本并解决当前复合材料不可生物降解的问题，否则这种相对较新的材料将无法完全取代传统金属合金。