複合材料如何改變未來飛行?

中國複合材料與國外有很大的差距,隨著國產大飛機制造不斷深入,複合材料的國產化顯得日益重要。

由於其本身具有的獨特性能(比強度高、比模量大、耐腐蝕性能優及易於大面積整體成型等)成為繼鋼、鋁、鈦合金之後第四大結構材料,作為重要的複合材料在大型飛行器結構上用量迅速上升,這表明複合材料的基礎研究近年來取得了實質進展,結構設計手段與驗證技術的進步,材料性能的提高和規範的完善,複合材料的用量已經成為飛行器先進性的一個重要標誌。

複合材料種類繁多,按其用途可分為結構複合材料和功能複合材料。

目前複合材料在飛行器中的應用主要利用了其優異的力學性能,絕大多數屬於結構複合材料主要用作承力和次承力結構;而功能複合材料主要利用材料的電學、磁學、光學、聲學等性能以及摩擦性能、阻尼性能、化學分離性能等也有著廣闊的發展前景。

複合材料如何改變未來飛行?

比如航空複合材料,隨著複合材料在飛機上的應用,20世紀70年代第一架全複合材料的飛機出現了,它們都是一些小型的娛樂用或特技飛行用飛機),這些飛機大部分採用膠接和固化結構, 緊固件用量很小,高效的空氣動力學設計,加之質量輕,使這些飛機有很好的速度與敏捷性複合材料首先在一些次要的、非承載結構上有限地應用,如艙門、整流罩、方向舵、擾流板等,以收集相關的實驗數據及飛行數據;接著,在前期應用的基礎上,在大型飛機上推廣應用複合材料。20世紀70 年代末80年代初,複合材料被設計人員作為重點考慮在飛機次承力部件上使用,如垂尾翼、平尾翼、方向舵等,例如F- 15、F16、F-18以及幻影2000等均採用複合材料尾翼。

而在宇航衛星結構專業技術的發展與新材料的研發、製備工藝的不斷創新息息相關。目前,航天器用結構材料主要有金屬材料與複合材料兩大類。

複合材料如何改變未來飛行?

金屬材料具有成熟的使用性能和加工製造基礎,一直以來都是衛星結構材料的首選;複合材料作為新興材料,因其具備密度低、可設計性強等突出優勢也備受航天器結構工作者的青睞,並有逐漸代替金屬作為衛星主結構材料的趨勢。

複合材料如何改變未來飛行?

衛星結構技術的發展方向對新型複合材料應用的需求主要集中在以下幾個方面:

1,高導熱微變形複合材料。

由於碳纖維增強複合材料密度小,彈性模量高,熱膨脹係數較小,並且可以實現“零膨脹”設計,在衛星結構如桁架結構、蜂窩夾層結構中有大量的應用。

2,高阻尼複合材料。

阻尼減振不僅是結構設計的要求,同時也是對材料性能的要求,在滿足力學性能的前提下,高阻尼複合材料通過改性樹脂,提高阻尼特性,實現結構-阻尼功能一體化,滿足衛星結構對於阻尼減振材料的需求。高阻尼複合材料主要應用於板式蜂窩夾層結構、桁架結構、支架結構等。

3,形狀記憶複合材料。

形狀記憶複合材料是通過將形狀記憶材料置於複合材料中,利用形狀記憶材料的形狀記憶效應、偽彈性和高阻尼能力等實現複合材料功能的一種智能複合材料。

主要應用於衛星可展開桁架、可展開天線、可展開鉸鏈機構,太陽電池陣平板結構等。這種複合材料是國際智能材料與結構領域的最新研究成果,通過該材料的應用可有效解決衛星本體尺寸受限於運載火箭整流罩空間的問題,研發出尺寸大、重量輕、剛度好、收攏體積小、展開可靠性高的空間可展結構。

複合材料如何改變未來飛行?

據統計,進入空間軌道的航天運載器質量每減輕1kg,其發射費用將節省約2萬美元,因此必須採用密度儘量低的材料。結合高強度和大剛度的性能要求,需要採用比模量(彈性模量與密度之比)高和比強度(強度與密度之比)大的材料。

其中,高比模量的材料還非常有利於提高結構的自然頻率和穩定性,防止在發射時引起過大的動態響應載荷,保證衛星姿態控制系統的正常運行及提高衛星薄壁結構在發射壓縮載荷下的穩定性。

另外,由於衛星長期在太空服役且在軌壽命延長,因而所選材料還必須具有良好的空間環境穩定性。

對於結構材料,尤其是暴露在空間的外部材料,要求在真空、高低溫交變、紫外輻照、電子輻照、原子氧等條件下不發生大幅的成分、結構與質量變化,從而能夠保證所需的力學性能和物理性能。

隨著航空航天工業的迅速發展,飛行器結構材料也將處於長期持續的發展之中。新型輕合金在飛行器結構中使用的比例逐步增加,複合材料的應用更是促進了飛行結構用材的變革,並且正處於迅猛發展之中。

結合了金屬與無機/有機材料優異性能的金屬基複合材料也已進入飛行結構研究人員的視野。除此之外,結構材料與結構設計密不可分,一些傳統的複雜結構正在被全新的多功能結構(MFC)和3D打印結構所取代。

複合材料如何改變未來飛行?

未來,航空航天飛行器的結構材料將呈現多樣化、高性能的趨勢。


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