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行业资讯

飞机大量使用复合材料有什么好处?

发布时间:2017-05-09

    60年代,为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要,先后研制和生产了以高性能纤维(如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等)为增强材料的复合材料,其比强度大于4×106厘米(cm),比模量大于4×108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别,将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同,先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250~350℃、350~1200℃和1200℃以上。
    复合材料的主要应用领域有:航空航天领域。由于复合材料热稳定性好,比强度、比刚度高,可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的 壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。汽车领域、家用电器、轮船、军工等诸多领域皆可以看到新型复合材料的身影。超声波复合材料焊接,复合材料图片.jpg

   我们知道,飞机在载重一定的情况下,机身自重每减轻一公斤,每年都会节省掉灰常可观的能源成本。2005年,全球首架全复合材料飞机就使用了蜂窝状的碳纤维层合板。这种新型结构在保证强度、刚度和耐热性的前提下,却比飞机普遍使用的铝、钢和钛合金材料的重量减轻了一半。

  正是因为这些优势,复合材料已经成为航空材料的“新宠”。其在客机上的结构重量日益增加,如今已经开始广泛应用于民用航空制造业。一些先进客机的复合材料重量已经超过金属材料,占其总重量的50%以上,这也成为未来民机在材料选择方面的一种趋势。美国人制造的波音787飞机,其最与众不同的地方是大量使用先进的复合材料,连机身都用的是复合材料,大约结构重量的一半是复合材料。

  现在随着技术的进步和成本的降低,一些公务机和小型航空器也开始使用大量的复合材料。

飞机用复合材料,超声波焊接机

787飞车的复合材料尾段

超声波焊接飞机复合材料 工艺 图片 厂家

  注意看复合材料也用铆钉,但铆钉的材料是钛合金或者莫奈合金,这是防腐的需要。复合材料用的铆钉不能用一般的气动捶击式铆枪,只能用挤压式铆枪,因为复合材料最大的缺点是抗冲击能力太差。

   复合材料的定义是很广泛的,飞机上使用的复合材料主要是指碳(石墨)纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维和树脂做成的。以碳纤维复合材料为例,在同等质量条件下,其强度是铝合金的 7 倍。使用复合材料的好处主要就从这里来的。既然复合材料又轻又结实,那用复合材料的飞机就更轻,能载更多的客货了。

   铝合金容易腐蚀,飞机飞的时间长了还有疲劳问题,会出现疲劳裂纹。但复合材料就不然,它不腐蚀,也不疲劳。这带来的好处就多了去了。传统飞机大修时,飞机厕所、厨房、前后货舱下面的地板梁,经常腐蚀得白花花的。用复合材料就不怕腐蚀了。

新型复合材料 飞机专用复合材料.jpg


   这 787,机身都用复合材料制造,强度远高于铝合金机身,因此,787 客舱的舷窗可以开的更大,客舱里的气压和湿度也可以升高。金属飞机客舱里的气压相当于海拔 2,400 米的气压,气压再高,就太接近机身结构的安全限了。很多人坐飞机时会觉得机舱里空气太干燥,这可是故意的,太湿润旅客觉得舒服,机身就受不了,要腐蚀了。

   复合材料部件可以把形状做的很大,很复杂,相对来说还是比较容易的。因为使用复合材料,787 减少了 1,500 个钣金件,40,000 到 50,000 颗铆钉。

   复合材料是代表,是方向。复材是设计出来的材料,即科研人员用已知性能的材料:纤维和树脂,用不同的排列组合指向,计算出来,然后变计算为现实材料的。让它在某个或某几个希望的方向上力学性能最好,而在其他不那么重要的方向上性能做些妥协。

   最典型的例子,复材在纤维方向上最结实,纤维或纤维布铺层时改变方向,可以做到平面/曲面上其他方向上也结实。但在纤维布的层间力量还是差,垂直方向很容易分层。但这是可以容忍的缺点。什么材料没弱点呢?铝合金好,但容易腐蚀;钛合金好,但贵还容易裂纹。

静力试验中断裂的复合材料

   复合材料构件修理的时候,航空公司就开始做恶梦了,飞机维修公司就笑逐颜开了。比如说修发动机风扇机匣整流罩时,可以把它拆下来送到复合材料车间去修,不太严重的损伤就直接在原位修理了。修理时首先要把损伤的碳纤维层打磨掉,打磨掉了几层纤维,就要按原来纤维布的铺层方向修补几层。

   所以损伤部位最后要打磨成圆形或椭圆形的(理想状态),中间最低,一层比一层扩大半英寸的斜面。这可是技术活,复合材料部件上一层碳纤维布也就 0.01 英寸,修三层,0.03 英寸厚,你要把它打磨成1.5 英寸宽的斜面,还要分清楚每一层纤维布的铺层方向!(英寸换毫米?1 英寸=25.4 毫米,您来做算术)一家飞机修理公司也就只有几个人能把这活做得漂亮。

   愿为修理最重要的一点,就是一定要保证,打磨的时候,绝对不能让石墨纤维乱飞,所以在工作之前必须用塑料布搭个严严实实的帐篷,才能开工。否则石墨纤维飞到燃油流量控制器等电子器件里,那就灾难了,石墨纤维可是导电的!

飞机图片

   飞机上用的碳纤维,准确说是石墨纤维,制造过程说起来是简单的(其简单仅限于说说而已),原料是 PAN(polyacrylonitrile)纤维,一种人造丝。先把人造丝在 200 到 300 摄氏度的环境里氧化、固化1 小时。然后再到 1,200 摄氏度的环境里碳化 1 到 2 分钟。

   在 2,000 到 3,000 摄氏度温度下1到2分钟这时发生石墨化反应,这才得到高强度,高模量的石墨纤维。碳化反应产生的是无序的结构,而在石墨化反应中,除去了材料中的氢、氮、氧等其他元素,只留下了有序排列的碳链,这样就得到了高密度高模量的石墨纤维。石墨纤维还要再氧化处理一下,目的是为了提高与树脂的粘接性能。

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