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科技複合材料在航空國防領域的發展及應用

來源:浙江浦江新志複合材料科技有限公司浏覽數:138

江蘇柏鶴化工技術指引】複合材料的發展對航空裝備的發展有着重要意義。飛機性能一半取決于設計,另一半取決于材料。材料的優劣對速度、高度、航程、機動性、隐身性、服役壽命、安全可靠性、可維修性等性能起無可置疑的重大影響。根據統計,飛機減重中有70%是由航空材料技術進步貢獻的。飛機機體的材料結構已經經曆了四個發展階段,複合材料的廣泛使用使其正在邁入第五階段。這五個階段為:
  第一階段(1903~1919年),木、布結構;
  第二階段(1920~1949年),鋁、鋼結構;
  第三階段(1950~1969年),鋁、钛、鋼結構;
  第四階段(1970~21世紀初),鋁、钛、鋼、複合材料結構(以鋁為主);
  第五階段(21世紀初至今。):複合材料、鋁、钛、鋼結構(以複合材料為主)。
  使用碳纖維增強樹脂基複合材料的飛機,在減輕飛機重量、減少燃油、減少維修成本和延長飛機使用壽命上有明顯優勢,而傳統的鋁合金材料則會随着時間推移被慢慢腐蝕,降低飛機安全性。采用50%複合材料的波音B787飛機維修費用在服役數年後依舊穩定,而傳統的鋁合金結構飛機B767飛機維修成本将大幅上升。波音公司指出,複合材料将成為“航空航天結構的未來”。
  複合材料在航空領域的發展大緻經曆了次承力構件—尾翼級主承力構件—機翼—機身主承力構件四個階段,逐漸由小型構件向大型核心構件,由軍用向民用發展。在歐美,20世紀60年代是複合材料的研發階段,70年代進入應用階段,此後複合材料在飛機上的應用比例逐步提升。
  (一)軍用飛機
  作為一項新興的材料技術,複合材料首先在軍用飛機上得到應用。
  60年代,玻璃纖維增強複合材料首先開始應用于飛機的整流罩、襟副翼中。此時,複合材料力學性能還相對較低,應用複合材料制造的飛機零部件尺寸小、受力水平小。
  60年代後期,硼纖維/環氧樹脂複合材料開始應用于飛機結構上。例如,F-14于1971年開始将硼纖維增強環氧樹脂複合材料應用在平尾上。
  70年代中期,誕生了以碳纖維為增強體的高性能複合材料,開啟了複合材料在飛機上的大規模應用。具有卓越高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞性能的碳纖維增強複合材料非常适合航空裝備需求。軍機的垂尾、平尾等受力較大、尺寸較大的部件開始逐步使用碳纖維增強複合材料,如F-15、F-16、Mig-29、幻影2000、F/A-18等飛機的複合材料尾翼、垂尾。從70年代至今,國外軍機尾翼已經全部采用複合材料。采用複合材料的平尾、垂尾一般占飛機全部結構重量的5%-7%。
  在尾翼進入複合材料時代後,複合材料的應用開始向軍機的機翼、機身等結構受力大、尺寸大的主要構件發展。1976年,麥道公司率先研制了F/A-18複合材料機翼,并于1982年正式進入服役,把複合材料用量提高到13%。此後各國所研制的軍機的機翼也幾乎全部采用了複合材料。例如美國的AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35、法國的“陣風”、瑞典的JAS-39、歐洲四國聯合研制的“台風”,俄羅斯的S-37等。
  目前世界先進軍機中複合材料用量占全機結構重量的20%-50%不等,主要應用複合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、機翼、中前機身等。如果複合材料占飛機總重量的50%左右,則全機絕大部分結構件由複合材料制成,如B-2隐形轟炸機。
  (二)民用飛機
  民用飛機更加考慮飛機的安全性和經濟性,因此在複合材料的應用上比較謹慎。但随着複合材料技術的進步和制造成本的降低,20世紀70年代開始,民機也逐步開始使用複合材料部件。與軍機類似,民機複合材料的部件也從小承力構件向主承力構件發展。
  以美國為例,複合材料在民機的應用大概經曆了4個過程。
  第一個階段,20世紀70年代中期,複合材料主要應用于受力較小的前緣、口蓋、整流罩、擾流闆等構件上。
  第二個階段,20世紀80年代中期,複合材料主要應用在受力較小的升降舵、襟副翼等構件。
  第三個階段,複合材料應用在受力較大的垂尾、平尾等構件上。例如波音777飛機的垂尾、平尾都采用了複合材料,複合材料占結構總重量的11%。
  第四個階段,複合材料在飛機最主要受力部件機翼、機身上得到應用。波音787夢想飛機的複合材料用量為50%,超過了鋁、鋼、钛等金屬材料重量的總和。主要應用在機翼、機身、垂尾、平尾、機身地闆梁、後承壓框等部位,是第一個采用複合材料機翼和機身的大型商用客機。
  在歐洲,空中客車公司也從20世紀70年代中期開始了碳纖維增強複合材料在A300系列飛機上的應用研究。1985年,完成了對A320飛機複合材料垂尾的研制,此後A300系列飛機尾翼一級的部件均采用了複合材料,并将複合材料用量迅速推進到15%,超過了波音公司。
  空中客車A380飛機的複合材料用量在25%左右,主要應用在中央翼、外翼、垂尾、平尾、機身地闆梁和後承壓框等部位。并采用了大量的先進複合材料,比如全球最大樹脂膜浸滲成型的機身後承壓框,應用玻璃纖維增強鋁合金材料(Glare)的機身上壁闆等等。
  空客新一代飛機也将邁入以複合材料為主的時代。空客的A400M大型運輸機将采用35%-40%的複合材料,主要應用區域包括機翼、垂尾、平尾和螺旋槳葉片等。2013年首飛的A350WB則采用了52%的複合材料,超過了波音B787的50%。
  (三)直升機
  直升機對複合材料應用非常顯著。軍用、民用和輕型直升機均大量應用碳纖維複合材料,的直升機複合材料用量已達到結構重量的40%-60%。例如,美國武裝直升機科曼奇(RAH-66)的複合材料使用量為50%;歐洲NH-90直升機的複合材料使用量達到80%,接近全複合材料結構。
  V-22旋翼飛機是一種新型的飛行結構,可以垂直起降,傾旋轉翼後又能高速巡航,複合材料使用量為51%,包括機身、機翼、尾翼、旋轉機構等均為複合材料制成,也是一個全複合材料的飛機。
  (四)無人機
  軍用無人機對減重有着迫切的需求,因此複合材料大量應用于無人機上。例如,美國X-45系列飛機的複合材料用量達90%以上;X-47系列飛機基本上為全複合材料飛機,“全球鷹”無人偵察機複合材料用量達65%,其中機翼、尾翼、後機身、大型雷達罩等均由複合材料制成;歐洲的試驗無人機“梭魚”、美國遠程攻擊無人機“臭鼬”等的情況也基本如此。
  (五)航空發動機
  複合材料的用量和占比也成為衡量航空發動機先進程度的一個度量。根據冷熱端工作溫度的不同,航空發動機相應采用了多種不同基體的複合材料進行應用。
  樹脂基複合材料優異的比強度和比模量性能對于高推比航空發動機的減重、提高推進效率、降低噪聲和排放以及降低成本等都具有重要意義,主要應用在航空發動機的冷端部件上,工作溫度在150-200℃以下,例如渦扇發動機壓氣機葉片、導向葉片及其框架組件、渦扇發動機鼻錐及整流裝置等。
  在熱端部件上,由于高溫等特殊條件的要求,金屬基、陶瓷基及碳/碳複合材料有着重要應用。
  SiC長纖維增強钛基複合材料(Ti-MMC)具有高比強度、高比剛度、耐高溫、抗疲勞性好和蠕變性能好的優點,Ti-MMC葉環代替壓氣機盤可使零部件減重70%。未來航空發動機壓氣機葉片和鏡子葉片、整體葉環、機匣和渦輪軸等都将采用金屬基複合材料進行制造。陶瓷基複合材料一直是高溫材料研究的重點,精細陶瓷和氮化矽制造的發動機部件可以在1371℃溫度下工作,性能甚至優于高溫合金,但脆性問題目前仍然沒有解決。
  碳/碳複合材料同樣具備低密度、高比強、高比模量、抗熱沖擊好等優點,是目前在1650℃以上工作溫度下唯一備選材料,最高理論溫度達到2600℃,被認為最有前途的高溫材料。
  (六)其他國防軍工行業
  複合材料高比強度、高比模量、可設計性的特點,使得複合材料在非航空國防工業中也有重要應用。
  纖維增強複合材料具有放熱、隔熱、耐高溫等特性,廣泛的應用于航天工業上。例如,在防熱方面,高強度玻璃纖維樹脂基複合材料可以用作多管遠程火箭彈和空空導彈結構材料和耐燒蝕隔熱材料,實現了噴管收斂段、擴張段和尾翼架整體化,大大減輕了武器質量,提高戰術性能。
  在衛星和航天器上,美國和歐洲的衛星結構質量不到總質量的10%,原因就是廣泛使用了先進複合材料。目前,衛星的微波通信系統、能源系統和各種支撐結構件基本上實現了複合材料化。
  碳纖維複合材料在固體火箭發動機上也得到了較好的應用,“飛馬座”、德爾塔運載火箭,“三叉戟”II、“侏儒”導彈型号均采用了複合材料的固體火箭發動機。美國的戰略導彈MX導彈、俄羅斯戰略導彈“白楊”M導彈等均采用了先進複合材料的發射筒。
  艦船複合材料技術也有迅速的發展,已基本達到了實際應用水平,簡化制造、降低成本成為當前技術的重點。美國海軍裝備已經大量應用複合材料,例如“福特”号航母、“弗吉尼亞”級潛艇、DDG1000驅逐艦等。英國海軍的45型驅逐艦也安裝了夾芯結構複合材料的綜合桅杆,具有隐身、減少天線維護等有點;英國“機敏”級潛艇泵噴推進器的導管也采用了纖維增強泡沫夾芯複合材料。

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