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航空航天中的碳纤维复合材料
发布时间:2021-03-24 08:41 | 浏览次数:


     
      自从人类首次涉足空中以来,设计师就一直在不断努力提高升重比。复合材料在减轻重量方面发挥了重要作用,如今使用的主要类型有三种:碳纤维,玻璃纤维和芳纶增强环氧树脂复合材料。还有其他一些,例如硼增强(它本身是在钨芯上形成的复合材料)。
      自1987年以来,复合材料在航空航天中的使用每五年增加一倍,并且定期出现新的复合材料。
用途
复合材料用途广泛,可用于所有飞机和航天器的结构应用和组件,从热气球吊船和滑翔机到客机,战斗机和航天飞机。应用范围从完整的飞机(如Beech Starship)到机翼组件,直升机旋翼桨叶,螺旋桨,座椅和仪表外壳。
这些类型具有不同的机械性能,并用于飞机制造的不同领域。例如,碳纤维具有独特的疲劳性能。
铝制机翼具有已知的金属疲劳寿命,而碳纤维的可预测性要差得多(但每天都会显着提高),但硼效果很好(例如在高级战术战斗机的机翼中)。芳纶纤维(“凯夫拉尔”是杜邦公司拥有的知名专有品牌)被广泛用于蜂窝板形式,用以构造非常坚硬,非常轻的舱壁,燃料箱和地板。它们还用于前缘和后缘机翼组件。
在一项实验计划中,波音公司成功地使用了1,500个复合零件来替换直升机中的11,000个金属零件。在商业和休闲航空中,以复合材料为基础的组件代替金属作为维护周期的一部分正在迅速增长。
总体而言,碳纤维是航空航天应用中使用最广泛的复合纤维。

 

好处

我们已经介绍了一些方法,例如减轻体重,但这是完整列表:
  • 减轻重量-通常会节省20%-50%。

 
  • 使用自动铺板机和旋转模塑工艺可以很容易地组装复杂的零件。

 
  • 单壳(“单壳”)模制结构以更低的重量提供了更高的强度。

 
  • 机械性能可以通过“叠层”设计进行定制,并具有逐渐变细的补强布厚度和布取向。

 
  • 复合材料的热稳定性意味着它们不会随温度的变化而过度膨胀/收缩(例如,在35,000英尺内,在几分钟之内从90°F的跑道升至-67°F的跑道)。

 
  • 高抗冲击性-凯夫拉尔(芳纶)装甲也能屏蔽飞机-例如,减少对带有发动机控制装置和燃油管路的发动机挂架的意外损坏。

 
  • 高损伤容忍度提高了事故的生存能力。

 
  • 避免了“电偶”-电腐蚀问题,当两种异种金属接触时(特别是在潮湿的海洋环境中)会发生电腐蚀问题。(此处使用非导电玻璃纤维。)

 
  • 消除了疲劳/腐蚀的综合问题。

 

未来展望

随着燃油成本和环境保护压力的不断增加,商业飞行承受着不断提高性能的压力,而减轻重量是其中的关键因素。
除了日常运营成本外,还可通过减少部件数量和减少腐蚀来简化飞机维护计划。飞机制造业务的竞争性质确保了在任何可能的地方探索和利用任何降低运营成本的机会。
军事领域也存在竞争,不断施加压力以增加有效载荷和射程,飞行性能特征以及“生存能力”,不仅是飞机,还有导弹。
复合技术不断发展,玄武岩和碳纳米管等新型材料的出现必将加速和扩展复合材料的使用。
在航空航天领域,复合材料将继续存在。
 
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