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复合材料:塑造航空工业的未来
发布时间:2020-07-16
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 复合材料被称为航空航天的未来关键材料,而凭借其高强度、低重量和耐用性的制胜组合,不难理解原因。三十多年来,空中客车公司率先在商用喷气客机中使用了这种材料,从A310的垂直稳定器到如今的A350 XWB飞机上一半以上的结构都是复合材料。

 

从本质上讲,复合材料是由两种或多种具有不同物理或化学性质的材料制成的。当组合时,复合材料与单独成分所提供的特性完全不同,表现出有益的物理特性。

 

空客公司在其喷气客机产品线中从头到尾采用了先进的复合材料,该材料一直处于材料科学的最前沿,其中一种杰出的材料是碳纤维增强塑料(CFRP)。CFRP由碳纤维和树脂组成,具有比金属更好的强度重量比,并且对疲劳和腐蚀的敏感性较低。简而言之,它比铝轻、比铁强,并且比两者都更耐腐蚀。

 

像所有复合材料一样,CFRP的强度来自其组成材料之间的相互作用。就其本身而言,碳纤维或树脂均不足以产生具有所需特性的产品以集成在飞机上。但是,一旦将CFRP机身部件或飞机结构组合成多个集成层并粘合在一起,便具有强度和承重特性,使其成为航空应用的理想选择。

 

近年来,碳纤维增强塑料的应用随着A350 XWB的应用达到了新的高度,A350 XWB在整个复合材料领域都具有重要的应用,例如,A350 XWB的大部分机翼是由轻质碳纤维复合材料制成的,包括其上盖和下盖。这些飞机长32米、宽6米,是用碳纤维制成的最大的单个航空部件之一。

 

借助CFRP,不仅客机的机体变得更坚固,而且减轻的重量使其能够运载更多的乘客、燃烧更少的燃料、飞得更远……。使用复合材料,喷气客机的机身可以变得更坚固、更轻……同时在航空公司运营中也需要更少的维护。

 

虽然最初制造成本要高于传统的金属零件,但CFRP零件不会生锈或腐蚀,因此可以为飞机运营商节省未来的维护成本。例如,A350 XWB的结构维护任务减少了50%,机身检查的门槛为12年,而A380为8年。

 

在CFRP生产中,成千上万的细细碳纤维集成一束,然后通过使用坚固树脂固定在一起,以达到所需的刚性。该复合材料组件以彼此叠放的精确成型的片材制成,然后通常在称为高压釜的烘箱中加热和加压,从而粘结在一起,从而制成了高质量的复合材料。

 

诸如机身和机翼之类的零件广泛的使用了复合材料,因为所需的纤维载荷很简单(纤维在高压釜中的铺设和固化方式)。但是,在可预见的将来,需要复杂负载的零件将继续使用金属。

 

按照树脂基体类型,CFRP可以分成两种最常用类型“热固性”和“热塑性”。尽管热固性CFRP目前在航空工业中更为广泛,但热塑性塑料因其可回收性而越来越受欢迎,而可回收性是生命周期中的重要考虑因素,长期以来一直是广泛采用CFRP的一个因素。

 

热固性材料和热塑性材料之间的主要区别在于:当在高压釜中固化时,热固性材料会发生化学反应,从而永久改变其成分。但是,热塑性部件可以重新熔融,并且仍然保持其成分。

 

这种差异使热塑性塑料具有吸引力,因为空中客车公司及其供应商每年生产数百吨的废旧复合材料。尽管热固性树脂废料无法再利用,但热塑性废料可以各种方式在航空领域以外的许多领域使用。(来源:碳纤维及其复合材料技术)

 

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