APP下载

浅谈先进复合材料在航空航天领域的应用

2018-07-30李加壮

魅力中国 2018年5期
关键词:航空航天应用

李加壮

摘要:先进复合材料是能够用于加工主承力结构和次承力结构,并且先进复合材料的刚度和强度性能相当于或着已经超过了铝合金的复合材料,它还具有较轻的质量和较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、隔音、隔热、耐高(低)温及减震等方面的特点,先进复合材料的优势让它被大量运用到航空航天、医学、建筑、机械等行业。了解先进复合材料的应用和发展前景,对我国航空航天领域的发展和技术进步有非常重要的作用和意义。本文将会对先进复合材料在航空航天领域的应用和效果进行分析,为航空航天领域的工程技术人员提供参考和建议。

关键词:先进复合材料;航空航天;应用

引言

先进复合材料在航空航天领域的应用是在近二十多年才开始的,使用历史较短,但是先进复合材料的可设计性较强、强度比模量高、靠疲劳性能和耐腐蚀性能好,可以大面积整体成形,这些特点比传统的铝合金或者钢合金结构显示出更多的优势,也使得它在短短的时间内就得到了广泛的应用,且在航空航天领域得到重点使用,推动了航空航天事业的发展。先进复合材料的使用和研究,已经成为当前航空航天领域先进性和进步性的重要标志,是各国争相发展和探究的核心科技,在我国亦是如此。对先进复合材料的了解和技术研究,对航空航天产品制造和使用以及航空航天领域的发展有重要意义,值得进一步分析。

一、先进复合材料的研发及使用

先进复合材料是指能够用于加工主承力结构以及次承力结构,且刚度和强度性能等于或超过铝合金的复合材料。先进复合材料具有较好的延展性、抗腐蚀性、比模量和比强度都比较高、隔热、隔音以及耐高(低)温等特点。航空航天行业上采用的先进复合材料主要是树脂基复合材料、碳基复合材料、金属基复合材料以及陶瓷基复合材料这几类先进复合材料。

(一)树脂基复合材料

先进树脂基复合材料是指以高性能纤维为增强体和高性能树脂为基体的复合材料。当前使用较广的是芳纶纤维复合材料和碳纤维复合材料。碳纤维复合材料具有耐高温、比强度高、耐疲劳、减振性好的优点,在民用飞机上使用较多,在航空航天尖端科学技术领域发展比较成熟;芳纶纤维复合材料具有耐介质性能好、热稳定性好的特点,能够成为复合装甲材料,防护力非常强,有很多国家将其用在了军用或民用飞机的“光谱屏蔽”材料中,因为它的抗冲击性能非常突出。

(二)金属基复合材料

金属基复合材料通常是以金属或者合金为连续颗粒,以晶须或纤维形式的第二相组成的复合材料,目前其制备和加工都比较困难,成本较高,常用在航天航空和军事工业上。

金属基复合材料在力学方面特点为横向与剪切强度较高、韧性与疲劳等综合力学性能较好,还具有导热、耐磨、导电、热膨胀系数小、不吸湿、阻尼性好、不老化及无污染等优点。

(三)碳基复合材料、陶瓷基复合材料

碳基复合材料是以碳纤维或者碳化硅等陶瓷纤维作为增强体、以碳为基体的复合材料。陶瓷基復合材料是以陶瓷为基体并与各种纤维复合的一种复合材料。陶瓷基体可有氮化硅、碳化硅等高温结构的陶瓷,它们具有耐高温、高强度和刚度、重量相对较轻及抗腐蚀等优点。例如,有的国家将其用于火箭试验发动机的结构上,且已经通过点火试车,效果非常好。

二、先进复合材料在航空航天领域的应用

目前,先进复合材料的使用已经非常广泛,尽管它还存在一些问题,但是在航空航天领域先进复合材料的使用量平均以每年9%左右的速度在增长。随着航空器向着高速、高空、智能化和信息化方向发展和进步,先进复合材料必然在航空武器以及民用航空领域、航天领域做出重要的贡献。

(一)在战斗机和直升机上的应用

在战斗机及直升机上,先进复合材料的应用体现在碳纤维复合材料的应用,它主要用在战斗机的主结构、次结构以及战机特殊部位的特种功能部件上。有一些国家将碳纤维、环氧及碳纤维、双马复合材料用在战斗机的机身、主翼、平尾翼、垂尾翼、蒙皮等部位,能够对减重起到非常好的帮助,减重效果显著。碳纤维复合材料在战斗机和直升机上的应用,具有抗疲劳、耐腐蚀等性能,且使得机身段比金属结构的机身段质量减轻了约30%,减少零部件约60%,复合材料的垂直安定面能够减轻将质量减轻32%多,大大优化了军机重量系数和性能,提高了军机使用效率。

(二)在民航上的应用

随着先进复合材料的研发和大量使用,在很多大型的民用客机上先进复合材料也得到了广泛应用,且效果显著。例如,当前较为先进的A380客机就采用了约1/4的先进复合材料,单机用量达到了29937kg。先进复合材料在民航客机上的应用越来越广泛,其独特优势和特点让民用客机朝着先进技术方向发展,服务性能和使用性能大大提高。

(三)宇航领域的应用

宇航工业中除了烧蚀复合材料之外,对先进复合材料的使用也较为广泛,并呈上升趋势。例如,以树脂基复合材料为例,三叉戟导弹仪器的舱椎体采用了C/EP后重量减轻25%-30%左右。先进复合材料在仪器支架和三叉戟导弹的陀螺支架、弹射滚柱支架、弹射筒支承环、电池支架、惯性装置内支架等约55个辅助的结构件上,使得重量大大减轻,从而让射程增加了约342km;德尔塔火箭的保护罩以及级间断也是由C/EP材料制成的;美国的卫星及飞行器上的天线、天线支架以及太阳能电池框架、微波滤波器都采用了C/EP制造,都有非常好的性能和使用效果。

三、结语

先进复合材料在近二十多年的快速发展和应用中,工艺和技术都得到了较大的突破,并且在航空航天领域得到广泛应用。先进复合材料有非常多的优点,在军机和民用飞机以及宇航领域中都有非常好的使用效果,它具有的比强度高、比模量高、可设计性较强、耐腐蚀性、耐高(低)温等方面的特点,比传统的钢或铝合金材料具备更综合的优势性能,大大减轻机身重量,提高机体性能和效果。先进复合材料的使用和研发已经成为各国航空航天领域的一大竞争关键,我国的先进复合材料研发和使用较晚,应该积极进行重点研发和试验,提高我国航空航天水平。

参考文献:

[1]沈军,谢怀勤.先进复合材料在航空航天领域的研发与应用[J].材料科学与工艺,2011,12(09):123-125

[2]朱晋生,王卓,欧峰.先进复合材料在航空航天领域的应用[J].新技术新工艺,2014,23(07):23-25

[3]王恩青,张斌.复合材料在航空航天中的发展现状和未来展望[J].科技信息,2011(01):239-241

猜你喜欢

航空航天应用
飞行的历史
浅谈航空航天飞船在太空行驶及返回地面的力学原理
美国航空周刊2016航空航天摄影大赛
空天传奇系列科普丛书
多媒体技术在小学语文教学中的应用研究
分析膜技术及其在电厂水处理中的应用
GM(1,1)白化微分优化方程预测模型建模过程应用分析
煤矿井下坑道钻机人机工程学应用分析
气体分离提纯应用变压吸附技术的分析
会计与统计的比较研究