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        碳纖維復合材料為飛機插上神奇之翼
        發布時間:2023-01-13
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        作為一項新興的材料技術,復合材料首先在軍用飛機上得到廣泛應用。

         

        60年代,玻璃纖維增強復合材料首先開始應用于飛機的整流罩、襟副翼中。此時,復合材料力學性能還相對較低,應用復合材料制造的飛機零部件尺寸小、受力水平小。

         

        60年代后期,硼纖維/環氧樹脂復合材料開始應用于飛機結構上。例如,F-14于1971年開始將硼纖維增強環氧樹脂復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復合材料,開啟了復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復合材料非常適合航空裝備需求。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復合材料,如F-15、F-16、Mig-29、幻影 2000、F/A-18等飛機的復合材料尾翼、垂尾。從70年代至今,國外軍機尾翼已經全部采用復合材料。采用復合材料的平尾、垂尾一般占飛機全部結構重量的 5%-7%。

         

        在尾翼進入復合材料時代后,復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復合材料機翼,并于1982年正式進入服役,把復合材料用量提高到13%。此后各國所研制的軍機的機翼也幾乎全部采用了復合材料。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“臺風”,俄羅斯的S-37等。

         

        目前世界先進軍機中復合材料用量占全機結構重量的20%-50%不等,主要應用復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。如果復合材料占飛機總重量的50%左右,則全機絕大部分結構件由復合材料制成,如B-2隱形轟炸機。

         

        2020年航天領域的碳纖維需求量占航空航天領域碳纖維需求的比例為1.80%,需求基數不大但高性能需求強,應用廣泛,同時隨著我國遠程戰略武器的快速發展,有望擴大碳纖維復材的應用占比。

         

        吸波隱身:普通碳纖維對電磁波是反射體,不具備吸波功能,通過對碳纖維進行表面改性(如鍍鎳、涂覆碳化硅涂層等)、研制新型碳纖維(如異形截面碳纖維、螺旋碳纖維、多孔碳纖維、碳納米管等),能顯著改善其電磁性能。

         

        特種碳纖維用于制造隱身飛機,如B-2隱身轟炸機,其整體機身除了主梁和發動機機艙采用鈦復合材料外,其余部分均采用碳纖維復合材料。美國隱身戰機F-22,CFRP用量達到24%,英國Typhoon戰機復合材料用量高達40%。結構型碳纖維吸波復合材料結合了復合材料輕質高強的結構優勢和吸波特性,是雷達隱身材料的重要發展方向。碳纖維吸波材料屬于功能和結構一體化的優良吸波材料,隨著隱身結構材料的完善和提高,碳纖維復合材料的需求還將持續增長。

         

        我國四代機之前,復合材料的應用范圍僅限于尾翼、鴨翼等次承力結構上,用量占比不到10%,四代機復合材料用量有了明顯突破,復材用量達到整機結構件的 20%左右。

         

        軍用飛機用先進樹脂基復合材料經過近40年的發展,已經從最初的非承力構件發展到應用于次承力和主承力構件,可獲得減重20%~30%的顯著效果。從用量來講,當前先進軍用飛機的復合材料用量已超過30%,今后在用量上的比例將趨于穩定。在軍機制造中,樹脂基復合材料可用于制造作戰飛機的雷達罩、機翼、機身、鴨翼、平尾和發動機外涵道等。

         

        美國F-35本身制造上大量使用了高強度碳纖維纖維復合材料。尤其是在蒙皮和機翼結構和機體結構部件上,大量創造性地使用了碳纖維復合材料。它所用的碳纖維復合材料已占全機總重量的1/4,占機翼重量的1/3??梢哉fF-35減重上,碳纖維的功勞首屈一指。

         

        隱形噴氣式飛機機身覆蓋著一種雷達吸收材料(RAM),如B-2“精靈”或F117“夜鷹”,目的是將接受電磁波轉化為熱量。RAM在高溫、潮濕和摩擦下會失去完整性。

         

        北卡羅來納州立大學的研發團隊開發了一種碳纖維增強復合聚合物(CFRP)蒙皮,以解決RAM限制引起的問題,并被用于B-21隱形轟炸機。該復合材料由碳納米管(CNTs) 進行了增強,碳納米管強度高、重量輕,能夠承受超過1800°C 的溫度,并有助于傳導傳入的電磁能。

         

        試驗證明,新的復合材料擁有極低的發射率,幾乎無法被檢測到,與目前隱形飛機上使用的僅能吸收70-80%的RAM相比,對電磁波的吸收率可達90%以上。這種新材料將噴涂到飛機上,厚度為3毫米。

         

        殲11系列和成飛的殲-10、殲-20系列,機翼都大量采用碳纖維復合材料,中國航空工業最近20年,具有大量采用碳纖維鋪層零件制造的成功經驗。

         

        對于我國而言,在20世紀90年代末才著手研制殲-20飛機,2010年底才開始試飛工作,技術上有后發優勢。殲-20的前一代殲-10飛機的鴨翼就整體采用了碳纖維增強雙馬來酰亞胺樹脂基體的高性能復合材料,這類材料的雷達信號特征比金屬材料小得多,而通過在樹脂基體之內摻雜其他隱身材料,這類復合材料的隱身特性可有更大提高。殲-20的鴨翼同樣會采用后續的研究成果,與之相比,F-22的水平尾翼還采用部分金屬材料,其隱身特性未必更好。此外,殲-20的鴨翼上反,機翼下反,被鴨翼前緣反射的雷達波一般不會繼續照射到主機翼前緣而形成二次反射,這也是隱身的有利因素。(來源:材料委天津院、前沿材料)

         

         

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