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    理智看待高比例复合材料飞机的得失

    发布时间:2014-08-21  原作者:候知健   点击数:

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    导语:

      波音最新一代的“梦想”787客机依靠极高比例的复合材料应用,实现了极其优异的飞行性能。然而在安全和环保方面,以787为代表的新一代飞机却仍然潜藏着不少隐患。

    一:飞机上的复合材料多指纤维增强塑料,重量轻强度高

      传统的飞机制造以钢、铝、钛合金为主要材料,这三者各有千秋,在结构中各司其职。超高强度合金钢的密度最大(超过7.8克/立方厘米),相同体积下最重,但在三者中能达到的绝对强度指标最高,适用于对尺寸和强度要求都最为苛刻的部位。比如除了轻型、超轻型飞机外,现代高性能起落架的材料,唯有使用超高强度合金钢进行锻造一途可选。所谓3D打印、钛合金起落架之类的新闻,都是宣传上的噱头,不足为信。


    图:波音747起落架(飞友网 飞鹰摄影)

      相同体积下铝合金部件的重量最轻(密度2.8克/立方厘米),但是强度也最低,此外它对于高温的耐受能力很差。而钛合金(密度4.5克/立方厘米)则介于钢、铝合金之间,同体积部件比钢材轻很多,强度和耐热性比铝合金高很多。它适合用于飞机上的主承力结构、高温结构——比如发动机燃烧室附近;可以取代钢材、镍基合金以减轻重量,取代铝合金以减少空间占用。但是由于加工困难,钛合金部件的成本一直很高。

      而现在越来越流行的复合材料,它的主要取代对象正是传统飞机上应用比例最大、构成轻质结构主体的铝合金,在要求较低的场合下也能取代一部分钛合金。在谈及飞机等航空器时,我们所指的复合材料主要都是指纤维增强塑料(fiber reinforced plastic);它是以高性能纤维作为增强体,用树脂作为基体将纤维粘结在内部并固化成型的高性能塑料。


    PAN(聚丙烯腈)碳纤维丝


    这就是碳纤维丝放大后的截面

      由于玻璃纤维性能较低,钨丝芯硼纤维高毒性、高成本,而芳纶纤维对环境耐受性不好(水分、紫外线)等诸多因素;目前在复合材料中应用最广、最具有代表性的则是PAN(聚丙烯腈)碳纤维。



    图:波音787铺设复合结构机身,图中黑色束状物就是由预浸过树脂的碳纤维所组成

      飞机制造上应用广泛的7050、7075等铝-锌系高强度铝合金,在放弃韧性等其它重要性能的极端情况下,最高强度也只能接近0.65GPa,一般在0.43-0.46GPa左右。第一种实用化的碳纤维T300系列,其抗拉强度在1971年试验性生产时就达到了2.8GPa,现阶段的T300J则达到4.21Gpa。而波音787上使用的是更高级的T800S,抗拉强度达到5.88GPa。

      与密度达到2.8克/立方厘米左右的铝合金相比,先进的碳纤维复合材料密度一般在1.45-1.6克/立方厘米左右;而拉伸强度可以达到1.5GMPa以上,超过铝合金部件的3倍,接近超高强度合金钢制部件的水平。这种密度低而强度刚度高的优势,使飞机的复合材料结构部件在获得与先进铝合金部件在强度刚度等综合性能方面相当的水平时,重量可以大幅减少20~30%。

      以波音787为例,它每架飞机需要消耗23吨碳纤维,结构比例中有50%是重约35吨的复合材料,这意味着它从材料密度上就减轻了15吨左右的重量。而空客也不甘示弱,新的A350客机结构中,复合材料的比例达到了52%,是现在所有大型商用飞机中最高的。作为世界上仅有的两个大型商用飞机研制巨头,波音、空客先后推出复合材料占结构比例达到、超过50%的主力型号,这意味着大型客机结构设计以复合材料为主要材料的时代已经全面来临。

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