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復合材料在航空航天領域的應用, 給航空航天帶來前所未有的發展

時間:2019-01-27 16:36:40        來源:

進入二十一世紀以來,我國航空航天事業得到前所未有的發展同時航空航天領域對于復合材料性能的要求不斷提高,研發高性能的復合材料為必須解決的問題先進復合材料隨之誕生,先進復合材料具有多功能性、經濟效益最大化、結構整體性以及可設計性等眾多優點,將先進復合材料應用在航空航天領域,能夠有效地提高現代航空航天的性能,首先就是傳統鋼材料、鋁材料相比之下減輕了航空航天器的近30%質量,在提高性能的同時,還能降低制造成本與運營養護成本,目前,先進復合材料已經成為飛船衛星飛機火箭甚至人機等航空航天器的應用材。

我國先進復合材料的研究早在20世紀70年代就已經開始,經過40多年的努力,我國在先進復合材料領域的技術水平不斷提高,現階段,我國逐漸實現了從完成了從次承力構件向主承力構件的過渡,先進復合材料已經被運用到廣大領域,進入到了實踐應用階段,另一方面,與國外先進復合材料相比,現階段我國先進復合材料在設計理念、制備方法、加工設備生產工藝以及應用規模上都存在差距,例如,我國軍戰斗復合材料的用量低于國外先進戰斗機的復合材料用量,僅有少數的軍用戰斗機超過20%,例如J-20其復合材料的用量約為27%。我國成功研制的C919大型民用飛機,單架飛機的先進復合材料的用量超過16噸,標志著我國先進復合材料在航空航天領域的應用水平在不斷提高。

復合材料的特性:結構整體化。先進復合材料能夠被加工為整體部件,也就是應用先進復合材料部件來取代金屬部件。在一些較為特殊的輪廓及表層比較復雜的部件當中,利用金屬制造往往可行性相對較差,而應用先進復合材料往往便可有效滿足于實際的工作需求。經濟效益最大化。將先進復合材料應用于航空航天領域內,可實現對產品數量的大幅度精簡。因對連接復雜的部件往往不需要采取焊接、鉚接等方式,因而對于連接傳統部件的需求量也便可以大大減少,進而使得材料的裝配成本與時間也能夠有效降低,提高效率從而實現經濟效益的最大化。

可設計性。應用纖維、樹脂、復合結構等方式可得到多種性能、形狀存在明顯差異化的復合材料,選取出適當的材料及鋪層次序便可加工出沒有膨脹系數的復合材料,同時其尺寸穩定性也要明顯優于一般的金屬材料。功能多樣性。隨著先進復合材料材料的不斷發展,其不斷融合了許多優異的物理性能、化學性能、生物性能、力學性能等。而且各類先進復合材料其本身的構成比例也不盡相同,在功能方面也會產生出一定的差異性,目前綜合性及多功能性已成為先進復合材料發展的一項主流趨勢。

金屬、有機非金屬、有機高分子等若干種材料運用復合工藝組成的新興材料即是先進復合材料,先進復合材料不止能夠保留原有組成材料的特點,還能夠將各種組成材料的優良性能進行綜合,相互補充和關聯各種材料的性能,能夠給新興復合材料帶來無可替代的優越性能。

先進復合材料簡稱ACM,指的是碳纖維等高性能增強相增強的復合材料。先進復合材料的多種性能都優于普通鋼、鋁金屬材料,在航空航天領域的應用,能夠有效地減輕航空航天設備的質量,同時賦予航空航天設備特殊的性能,例如吸波、防熱等。

航空發動機中的應用:在航空發動機的結構設計中,高性能系統對于材料本身在輕型化與耐高溫方面有著更加嚴苛的要求。新型材料與工藝技術的快速發展是為了服務于新一代航空發動機的發展要求,特別是最新的先進復合材料已經大規模應用在航空發動機中,例如將發動機的空氣流通道中應用陶瓷基復合材料,便可僅需部分甚至無需冷卻氣體來冷卻發動機的高溫部位,從而也便可促使渦輪扇發動機的重量大大降低,發動機的運轉效率也將達到更大水平,相應的發動機性能、耐久能力、燃油經濟性等也便能夠得到大幅度的提升。

無人機中的應用:在未來的航空領域發展過程中,無人機將是至關重要的一個發展方向,無人機的主流發展趨勢便是飛行高度更高、時間更長、隱身效果更好,要想提高無人機制造效率、較小制造成本,復合材料的應用便將成為重要的一項技術工程。例如將石墨/環氧復合材料應用在無人機的尾翼部位,相較于傳統的鋁合金混合結構其重量可減小60%以上。此外,設計人員應用復合材料還能夠實現傳統金屬材料所難以企及的空氣動力學設計,如超聲速飛行的前掠翼飛機。

導彈結構材料應用:碳纖維/環氧復合材料所制成的導彈結構相較于鋁結構其重量將降低40%以上。目前許多發達國家在導彈發射筒的制造上也開始采用先進的復合材料,如美國的“MX”導彈、羅斯的“白楊M”導彈等。由于采用先進復合材料所制造出的導彈發射筒通過大幅度降低自身重量后能夠顯著提升導彈的靈活性。目前我國在這一方面也開展了相關的研究工作,并研發出了應用先進復合材料所制造的儀器艙,能夠顯著提升戰略導彈的靈活性與機動性,有著十分出色的應用效果。

運載火箭的鋼殼體材料中,某些發達國家早在上世紀50年代便開始應用用纖維纏繞成型的玻璃鋼殼體,相比較于傳統鋼殼體,應用這一材料能夠減輕超過50%以上的結構自重,在這一基礎上,美國緊接著又研發了“MX”三級發動機殼體,芳綸/環氧復合材料在其殼體上的應用得到了十分優秀的效果,此種結構形式的殼體重量相較于纖維纏繞成型的玻璃鋼殼體其重量又可進一步降低50%左右。在先進復合材料的快速發展過程中,將其應用于運載火箭發動機殼體當中的優勢價值愈發突出。當前我國在運載火箭發動機殼體制造方面也開始逐漸采用先進復合材料,現已能夠將芳綸/環氧材料以及玻璃纖維/環氧復合材料成功應用于運載火箭的發動機殼體之內。在運載火箭結構設計方面充分應用以先進復合材料,可實現對運載火箭發動機重量的大幅度減小,促進其發動機性能的顯著提升。

衛星結構質量將會直接影響到衛星本身的功能特性,針對衛星結構采取輕型化設計現已成為衛星結構發展的一個主流趨勢。對通訊衛星的推力桶應用先進復合材料制造,其重量相較于傳統的鋁結構可減小30%左右,所減小的重量可新增450條以上的電話線,并且還能夠大幅度降低衛星發射成本,有著極高的經濟性效果。

先進復合材料的應用已經成為評價航空航天器制造水平的重要標準,同時也是提高航空航天器結構先進性的重要物質基礎和先導技術。由于我國先進復合材料的應用水平和國外發達國家還存在一定的差距,但是先進復合材料方面的研究已經被國家通過大量投入來強化,其發展前景良好。未來先進復合材料的發展主要表現在以下四個方面:

智能化。復合材料智能化研究,能夠給國家創造經濟效益和社會效益,在未來智能型先進復合材料會應用在航空航天器外表:在未來航空器表面增加各種傳感器,能夠對周圍環境各種信息進行實時的檢測,以及通信,使用電子設備和其它飛機系統,保證飛機在某些特殊情況下平穩操作。多功能化在減小航空航天器體積的基礎上,為了滿足航空航天器的突防能力要求,許多結構部件需要同時具備多種功能以及優良的性能,現階段,多功能先進復合材料的研究已經從雙功能型向三功能型方向甚至多功能方向轉變。質量輕、性能高目前,使用先進復合材料可以使航空航天器的質量減輕20%左右,如果以現在的成績與國外的先進復合材料相減重25%以上的成績相比還存在不小差距,原因是現階段我國先進復合材料的整體性能較低,因此,在未來的發展過程中,應該加強對復合材料強度、抗彎、抗剪能力以及整體性等方面的研究,研發出整體性好、強度高和韌性高的先進復合材料。

綜上所述,雖然經過了40多年迅猛的發展,我國先進復合材料工業已經發展為了一個成熟的體系,并且在航空航天領域也到了實踐應用,得到了良好的反饋,但是與國外發達國家相比,還存在一些差距,所以我國先進復合材料研究、研發人員和生產企業應該加快先進復合材料結構、制造技術、生產工藝等方面的研究,同時也要借鑒國外的相關經驗和技術,解決未來可能出現的各種問題,以此進一步提高我國航空航天領域科技水平和技術水平。

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