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樹脂基復(fù)合材料在航空航天的應(yīng)用

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2020-04-27  瀏覽次數(shù):424
核心提示:樹脂基復(fù)合材料因具有良好的抗疲勞性、抗腐蝕性、減震性,發(fā)展前景廣闊。另外,樹脂基復(fù)合材料具有功能多樣化、成型過程簡便、材
     樹脂復(fù)合材料因具有良好的抗疲勞性、抗腐蝕性、減震性,發(fā)展前景廣闊。另外,樹脂基復(fù)合材料具有功能多樣化、成型過程簡便、材料結(jié)構(gòu)及性能可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、體育器材行業(yè)、機(jī)械電子制造業(yè)、航天工業(yè)以及煤礦工業(yè)等領(lǐng)域。隨著最近幾年經(jīng)濟(jì)的快速增長,樹脂基復(fù)合材料的用途也越來越廣泛,深受制造行業(yè)的青睞。
    采用復(fù)合材料可實現(xiàn)武器系統(tǒng)的輕量化,從而提高快速反應(yīng)能力,并在高威力、大射程、精確打擊等方面起到巨大作用,尤其在以航空為主的國防工業(yè)已得到普遍應(yīng)用。目前采用復(fù)合材料制造的零部件現(xiàn)已成為航空、航天、兵器、船舶等國防產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要組成部分。
 
軍事領(lǐng)域
 
    為滿足新一代戰(zhàn)斗機(jī)高機(jī)動性、超音速巡航及隱身的要求,進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后,美國戰(zhàn)機(jī)無一例外都大量采用了復(fù)合材料機(jī)構(gòu),用量一般都在20%以上,有的甚至高達(dá)35%,結(jié)構(gòu)減重效率達(dá)30%。目前世界先進(jìn)軍機(jī)中復(fù)合材料用量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的20%-50%不等,主要應(yīng)用復(fù)合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、機(jī)翼、中前機(jī)身等。
民機(jī)領(lǐng)域
    民用飛機(jī)更加考慮飛機(jī)的安全性和經(jīng)濟(jì)性,因此在復(fù)合材料的應(yīng)用上比較謹(jǐn)慎。但隨著復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步和制造成本的降低,20世紀(jì)70年代開始,民機(jī)也逐步開始使用復(fù)合材料部件。
    與軍機(jī)類似,民機(jī)復(fù)合材料的部件也從小承力構(gòu)件向主承力構(gòu)件發(fā)展。因為材料的選擇將直接影響到飛機(jī)的購買費(fèi)用(原材料費(fèi)用和加工成本)、燃油費(fèi)用(飛機(jī)重量)和維護(hù)費(fèi)用(檢查和維修),所以在民用飛機(jī)的設(shè)計當(dāng)中,對材料的選擇非常關(guān)鍵。民機(jī)的選材將直接影響民機(jī)的運(yùn)營費(fèi)用。用樹脂基復(fù)合材料制造飛機(jī)部件比傳統(tǒng)航空材料通常減重20%-30%,使用和維護(hù)成本比金屬材料低15%-25%。
 
除了費(fèi)用以外,安全因素也是民用飛機(jī)設(shè)計選材時必須考慮的重要因素,任何一種新材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用都是漫長的(常為5-10年)和昂貴的(為常用材料的1-5倍)。但是,航空安全對材料性能的苛刻要求又促使先進(jìn)材料的發(fā)展,迫使工業(yè)界采取最先進(jìn)的制造技術(shù)來提高材料的性能和降低成本。民用飛機(jī)中復(fù)合材料部件的使用率一直在不斷增加。
 
 
直升機(jī)
 
    直升機(jī)對復(fù)合材料應(yīng)用非常顯著。軍用、民用和輕型直升機(jī)均大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料。復(fù)合材料用量已達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的40%-60%。例如,美國武裝直升機(jī)科曼奇(RAH-66)的復(fù)合材料使用量為50%;歐洲NH-90直升機(jī)的復(fù)合材料使用量達(dá)到80%,接近全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
 
    V-22旋翼飛機(jī)是一種新型的飛行結(jié)構(gòu),可以垂直起降,傾旋轉(zhuǎn)翼后又能高速巡航,復(fù)合材料使用量為51%,包括機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等均為復(fù)合材料制成,也是一個全復(fù)合材料的飛機(jī)。
 
航空發(fā)動機(jī)
 
    隨著航空發(fā)動機(jī)性能不斷提高,特別是質(zhì)量不斷減輕,在依靠整體葉盤、整體葉環(huán)、空心葉片和對轉(zhuǎn)渦輪等新穎結(jié)構(gòu)的同時,還將越來越多的依賴于高比強(qiáng)度、低密度、高剛度和耐高溫能力強(qiáng)的先進(jìn)復(fù)合材料。經(jīng)過多年的實驗和經(jīng)驗積累,航空發(fā)動機(jī)上越來越多的部件采用復(fù)合材料部件,而且各國紛紛都向這個方向努力。
 
 
火箭發(fā)動機(jī)
 
    纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有放熱、隔熱、耐高溫等特性,廣泛的應(yīng)用于航天工業(yè)上。例如,在防熱方面,高強(qiáng)度玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料可以用作多管遠(yuǎn)程火箭彈和空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)材料和耐燒蝕隔熱材料,實現(xiàn)了噴管收斂段、擴(kuò)張段和尾翼架整體化,大大減輕了武器質(zhì)量,提高戰(zhàn)術(shù)性能。
 
衛(wèi)星通信
 
    在衛(wèi)星和航天器上,美國和歐洲的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量不到總質(zhì)量的10%,原因就是廣泛使用了先進(jìn)復(fù)合材料。目前,衛(wèi)星的微波通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和各種支撐結(jié)構(gòu)件基本上實現(xiàn)了復(fù)合材料化。
 
艦船領(lǐng)域
 
    艦船復(fù)合材料技術(shù)也有迅速的發(fā)展,已基本達(dá)到了實際應(yīng)用水平,簡化制造、降低成本成為當(dāng)前技術(shù)的重點(diǎn)。美國海軍裝備已經(jīng)大量應(yīng)用復(fù)合材料,例如“福特”號航母、“弗吉尼亞”級潛艇、DDG1000驅(qū)逐艦等。英國海軍的45型驅(qū)逐艦也安裝了夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的綜合桅桿,具有隱身、減少天線維護(hù)等;英國“機(jī)敏”級潛艇泵噴推進(jìn)器的導(dǎo)管也采用了纖維增強(qiáng)泡沫夾芯復(fù)合材料。
 
    先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用是技術(shù)推動和需求牽引雙重作用下的結(jié)果。一方面隨著材料性能提高、工藝改進(jìn)、成本降低等方面取得的重大進(jìn)展,先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用更加廣泛,從而提高了軍民用飛機(jī)及發(fā)動機(jī)的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能;另一方面新一代軍民用飛機(jī)及發(fā)動機(jī)的發(fā)展又對材料性能提出了更高的要求,迫使工業(yè)界采取最先進(jìn)的設(shè)計和制作技術(shù)來提高材料的性能和降低成本,從而又促使先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展。
 
 
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