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复合材料深入航空制造,未来飞行或将发生巨变!

在2012年的珠海航展上,一辆兰博基尼新一代旗舰超级跑车Aventador与众多波音机模一起现身波音展台,吸引了众人的眼球。而跑车与航空有何关系呢?原来,尽管在动力、尺寸和外形方面,喷气式飞机和跑车可谓相去甚远,但出于对提升性能、降低油耗和排放的考虑,两者不约而同地选择了复合材料作为主要结构材料。波音787飞机与Aventador,正是这样一对“复合材料至亲”。

事实上,经过几十年的发展,复合材料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,这也成了未来民机在材料选择方面的一种趋势。

复合材料是指由两种或两种以上不同性质、不同形态的组分通过复合工艺组合而成的一种多相材料,它既保持了原组分材料的主要特点,又显示了原组分材料所没有的新性能,可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此联系,从而获得新的优越性能。

如今,复合材料已经成为航空材料的“新宠”。美国贝奇飞机制造公司曾制造出世界上第一架全复合材料飞机。它使用了耐热性能好的碳纤维层,中间夹有环氧化物。这种复合结构要比目前普遍使用的铝、钢和钛的合金材料轻一半,强度和耐热性几乎相同。正是因为拥有这些优点,世界民机制造巨头波音和空客都在逐步加大复合材料在飞机上的使用比例,并且在复合材料的研发和生产上进行了大量的投入。

波音最新研制的波音787梦想客机所使用的材料中,复合材料占比有很大提升,达到50%,远超过铝所占的20%,其中主要以碳纤维增强型复合材料(CFRP)为主。而波音777中复合材料约占12%,铝占50%。此外,波音747系列的新机型波音747-8洲际客机和747-8货机也应用了很多新技术,其中就包括复合材料的使用。与波音777飞机一样,波音747-8飞机广泛采用新一代铝合金,更重要的是,它还在襟翼、扰流板、短舱和方向舵中采用石墨复合材料。

波音的竞争对手空客是首家在大型民用飞机上广泛采用复合材料的飞机制造商。在其从事民机制造的近30年来,空客飞机的复合材料结构重量日益增加,从最初的空客A300飞机的不足5%,到空客A380飞机的25%,再到空客A350XWB的53%。空客飞机上第一次实现了

复合材料的用量超过了金属材料。空客A350XWB的复合材料、轻金属材料和硬金属材料的比例分别是53%、20%和21%。被称为“空中巨无霸”的空客A380则约有25%由先进轻质复合材料制造,其中22%为碳、玻璃或者石英纤维增强塑料,3%为GLARE(一种玻璃纤维――铝层压板)材料。

复合材料的使用对航空制造业的改变是显而易见的。以波音787为例,其拥有更高的燃油效率,单位碳排放也有所减少,这在很大程度上得益于CFRP的运用。CFRP由塑

料基体(环氧树脂)包围的碳纤维组成,树脂对纤维起到了支持和保护的作用,它的密度比铝轻30%,比钢轻50%,吸收碰撞能量的性能极强,在抗腐蚀、疲劳和老化等方面也有上佳表现。

作为集碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大优势于一身的增强纤维,碳纤维的密度不到钢的1/4,但抗拉强度却是钢的10倍。在将碳纤维重叠为纤维层的生产环节中,波音787采用了具有较强韧性的高韧性粒子,强化了在各层之间起到黏合剂作用的基体树脂,大幅加大了飞机尤其是客舱的强度。

其中最引人注目的是碳纤维复合材料机身。波音787独特的一体式复合材料机身桶省去了所有纵向蒙皮拼接件。有业内人士指出,波音787的机身段省去了1500块铝合金钣料零件和4万个~5万个连接件。与传统的板块构造相比,复合材料的使用使得机体结构件尺寸更小,而且更加轻盈和坚固,维修成本也可节省30%。

这种材料可以像布料一样剪裁,因此新的生产工序制造出的边角余料和废料减少了。现有的飞机主要是铝制的,必须将大片或大块材料碾碎后机器加工,然后用来制造飞机结构。被用来制造飞机零部件的原材料中,通常有90%在生产过程中成为了边角余料。虽然这些材料可以再循环,但尽可能避免浪费无疑是更好的办法。波音787复合材料方案解决了这个效率问题。

空客A350XWB机型采用的增压型多板式复合材料机体也是航空复合材料在使用方面的一项重大进展和成就,这项技术已在空客A380飞机上得到验证。空客表示,对于运营商而言,复合材料在运营期间不会有腐蚀和疲劳损伤,但对于受到外物撞击(比如鸟撞),除了目视检查外,还须进行额外的详细无损评估(如采用超声波、共振方法),并开展必要的修理。除了运营中的检查需求外,复合材料在制造过程中也采用超声波或X射线等无损检测方法确保产品没有缺陷。为此,空客通过与研究机构的合作,开发出了先进的无损检测方法。

当然,复合材料也不是万能的。波音和空客通过循序渐进的方法扩大了复合材料在大型民用飞机上的使用范围,同时还兼顾了金属结构件的优点。复合材料并不适用于飞机所有零部件的制造,其优势取决于部件所承受的载荷、应力类型以及部件的位置。空客仍在继续开发先进的超轻型合金。

来源:西交青岛智能焊接 西交青岛智能焊接

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