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碳纤维复合材料在航空飞机的应用优势
发布时间:2022-08-24
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飞鸟撞击等冲击事故对于飞机的危害

 

如果一只鸟撞上正在飞行的飞机,其威力竟不亚于炮弹?尽管天空看起来似乎没有空间限制,但鸟类和飞机仍然会频繁的相互碰撞,这些鸟与飞机的碰撞被称为“撞鸟事件”,这不是电影中才会发生的情景,而是每年在世界各地发生的灾难性事故。据航空科学研究测定,一只体重仅两千克的飞鸟,如果撞击正在以时速900千米飞行的飞机,其瞬间的撞击力高达400千克。其威力相当于一枚重磅炸弹,只统计近20年,因为鸟撞毁损的飞机比战争中损失的还多。

 

为什么鸟撞飞机其威力会不亚于炮弹呢?按理说,体型小、重量轻的鸟类与钢筋铁骨的飞机相撞,应该是以卵击石的效果,虽说小小的鸟从外观上没有破坏力,但力的作用是相互的,根据这一原理,飞鸟与高速飞行的飞机撞击后会产生相当大的作用力,根据动量定理来看,一只不到500克重的鸟与时速80公里的飞机相撞,至少会产生1500百牛顿的力,而如果与时速960公里的飞机相撞,则会产生21.6万牛顿的力,直接导致飞机机体的破坏。

 

人类采取了很多方法,主要思路是减少鸟类活动与飞行器起降的重叠,被动的撞鸟防治主要是观察鸟情,在机场建设之初,就需要对所在地的生态环境做出评估,尽量避免在鸟类栖息地,和迁徙补给地附近建设机场。随着航空技术的提高,鸟撞飞机的事件越来越少了。但是,鸟撞飞机依然是一个问题。

 

碳纤维复合材料的抗冲击性能要求

 

能否将碳纤维复合材料应用于飞机结构的重要因素是材料的冲击损伤,通常情况下将CAl作为评定碳纤维复合材料抗冲击性能的技术指标,但实际上在对飞机结构用碳纤维复合材料而言需要考虑对中厚蒙皮使用的损伤容限性能,和对薄蒙皮与薄面板夹层结构使用的损伤阻抗性能,对于飞机上的不同部位应使用力学性能不同的碳纤维复合材料,因此对碳纤维复合材料的性能指标进行评定时就需要综合评定各个指标参数。

 

轻质结构的抗冲击性能近年来得到了十分广泛和深入的研究,涉及的载荷有接触和非接触式的空气以及水下爆炸、高速破片侵彻和撞击等,对于其工程应用有重要的指导意义。碳纤维增强复合材料层合板凭借其高比强度、高比模量以及较好的隐身吸波性能,在航空航天领域以及快速响应舰船工业中已经取代了部分传统的金属材料和结构,成为现代三航工业领域不可或缺的一部分。

 

轻量化背景下碳纤维增强热塑性复合材料在航空中的优势

 

随着航空航天材料轻量化高性能的发展要求,碳纤维复合材料被越来越多地应用,波音767、777、787,空客A380等飞机的主体结构材料已经大量应用碳纤维复合材料。

 

以热固性树脂为基体的复合材料,其树脂的抗冲击性、断裂韧性较差,需要进行增韧才能改善抗分层性,提高损伤容限。但是增韧的代价是会影响复合材料本身的强度,导致强度和韧性往往只能折中选择。热塑性复合材料由于半结晶高分子良好的耐热性,刚度和韧性,因此具有比热固性复合材料高的损伤容限,韧性和耐冲击性能,这在航空中有着天生的优势。

 

在飞机的制造及飞行的全生命周期中,存在各种各样的冲击损伤。低速冲击被认为是非常危险的,此时,对冲击构件的冲击面进行一般的目视检测,可能无法观察到损伤,但是这样的低速冲击已经对复合材料层板造成内伤。其中,内部分层可能是最严重的问题,因为目视不可见,而且会严重降低材料的力学性能。性能下降最严重的往往是压缩强度,可能会下降40-60%。因此,在选择飞机的制造材料上,就需要优先考虑到韧性好的材料。这也意味着在未来,热塑性复合材料的需求量将越来越大!(来源:网络)

 
 
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