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科技前沿

从木头到复合材料 飞机制造材料大变革
来源:中国民航报  2016-04-29 15:18:43
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=2995
  何为飞机材料 
 
  飞机材料的范围较广,分为机体材料(包括结构材料和非结构材料)、发动机材料和涂料。而其中最主要的是机体结构材料和发动机材料。一般来说,非结构材料包括:透明材料,舱内设施和装饰材料,液压、空调等系统用的附件和管道材料,天线罩和电磁材料,轮胎材料等。非结构材料用量少,但品种非常多,包含玻璃、塑料、纺织品、橡胶、铝合金、镁合金、铜合金和不锈钢等。 
 
  结构材料应具有尽量高的比强度和比刚度,以减轻飞机的结构重量。结构重量的减轻,可以提高飞行性能,提高经济效益或作战效能。同时,结构材料还应具有良好的可加工性,便于制成所需的零件,而这又涉及工艺问题。 
 
 
  飞行者1号:云杉木打造的飞机 
 
  木结构飞机在上世纪30年代之前,一直很流行。就连波音公司的创始人威廉·波音,原本也是西雅图市的一个木材商。据维基百科介绍,莱特兄弟研制的第一架有动力的飞机——“飞行者1号”——使用的主要材料就是云杉木。在其使用的材料中,木材占47%,钢占35%,布占18%。其螺旋桨也是木制的,而且整架飞机都没有设计座位。
 
  在航空制造发展的百余年历史中,飞机材料的更新换代呈现出高速更迭与变换的状态。纵观人类航空发展史,材料和飞机一直是在相互推动下不断得以发展和改进的。 
 
  木布结构的时代  
 
  上世纪初,世界上第一架载人飞机上天。发明者莱特兄弟使用的材料以木材为主,占比达47%,其次是钢(占35%)和布(占18%)。当然,这架飞机的飞行时度只有16公里。早期的飞机只带着勇敢的探索者飞离地面。那时,设计师就是驾驶员。因为简陋的机体结构很不可靠,普通人不敢冒险从事飞行。 
 
 
  20世纪初的飞机广泛采用了木布结构
 
  早期飞机用木条、木三夹板做大梁和骨架,用亚麻布做机翼的翼面,这就是所谓的飞机木布结构。而在木杆与层板之间,通常用螺栓相拼接。机翼则蒙上涂抹过清漆的亚麻布,其间以缝纫方式与翼肋构架相连接,而清漆可以保证翼面的坚挺度、应有的几何形状和强度。这样的材料结构一直沿用到第一次世界大战结束,只是飞机的气动外形和内部结构更趋合理和完善。
 
 
  二战时期的“蚊”式战斗轰炸机是全木飞机
 
  自上世纪20年代起,人们设计出半硬壳式机身和具备翼型空间的机翼,飞机性能大幅提高,对飞机材料也提出了新的要求。在局部受力处,比如发动机架和整流罩等部位更多采用了金属零件,但翼面、舵面和后机身仍部分采用布质蒙皮,这就是所谓的飞机半金属结构。 
 
金属材料兴起   
 
  1906年,德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝,又称杜拉铝,使后来制造全金属结构的飞机成为可能。上世纪20年代,有极个别飞机开始试用强度更高的硬铝合金,硬铝合金替代了原先制作飞机骨架和翼肋的木条,也少量替代了承力较大的布质机翼蒙皮。但当时飞机上的非承力部件,依然采用低成本的木布结构。
 
  当时,苏联等国也曾有设计师尝试用“取之不尽”的钢材来制造飞机,甚至是小客机。钢的比重大于铝,所以对于“为节约每一克结构重量而奋斗”的飞机设计师而言,这肯定不是个好主意。重金属不属于航空器,它的使用将严重削弱飞机的飞行性能或使用效能。最终,怪异的“钢铁飞机”被抛弃也是意料之中的事情。 
 
  1925年以后,许多国家逐渐用钢管代替木材做机身骨架,用铝板做蒙皮,制造出全金属结构飞机。全金属结构飞机加大了结构强度,改善了气动外形,提高了飞机性能。到上世纪40年代,全金属结构飞机的时速已经超过600公里。 
 
  然而,将硬铝板材做到极端的也大有人在。作为当时的航空先进国,德国和美国在上世纪30年代后期都尝试使用一种被压成细波纹状的薄铝板做飞机表面的蒙皮。这样的形状可以额外加大其纵向强度。世界上第一架“为客机而设计的客机”容克F13和其他一系列容克、福克、福特品牌的客机或运输机都成功采用过这种外部材料。需要特别指出的是,直到目前,硬铝仍然是全球飞机的主要用材。 
 
 
  容克F13 全球首架全金属客机
 
  到上世纪40年代初期,不少国家由于战争原因,有色金属特别是航空用铝库存量告急,一些工厂又做起“木头飞机”的复古梦。作为最成功的例子,英国皇家空军的“蚊”式战斗轰炸机是当时最负盛名的机型。“木头飞机”大量使用胶水黏合结构件,不仅坚固耐用,作战效能也不错。 
 
  进入上世纪50年代以后,人类跨入了超音速时代。飞机材料特别注重耐高温指标,人类开始寻求全新的高强度耐热材料。于是,出现了航空专用的既坚固又耐热的钛合金和不锈钢。其中,钛合金的研制成功和应用对解决机翼蒙皮的热障问题起了重大作用。但需要指出的是,它们特别不易加工,同时因为比重大,通常只用在特殊部位、内部骨架和起落架支柱等部位。作为特例,这些特殊钢材也曾大范围使用在极个别的特种飞机上。比如,上世纪60年代出现了能在3万米高空进行3倍音速飞行的全钛结构间谍飞机SR-71。 
 
 
  全钛结构间谍飞机SR-71
 
  复合材料应运而生 
 
  随着材料科学的进步,自上世纪70年代起,新一代航空材料——复合材料——应运而生。它相当于一种掺进加强纤维的“塑料”,比如将玻璃丝纤维掺和在环氧树脂内。复合材料具有比强度高、刚度高、质量轻的特点,并具有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等一系列优点。它可以使飞机在维持原强度的前提下减轻重量,或在同样的重量下,强度更高。复合材料所创造的经济效益和军事效益可想而知。最极端的一例是,在上世纪80年代出现了世界上第一架“全塑料”飞机AVTEK400。 
 
 
  第一架全塑料飞机──Avtek400
 
  自玻璃纤维与有机树脂复合的第一代复合材料“玻璃钢”问世以来,陶瓷纤维和硼纤维增强的复合材料相继研制成功,性能不断得到改进,使复合材料领域呈现出一派生机。然而,在大多数场合,复合材料依然无法完全替代传统的铝系金属材料,大多还是只用在非主要承力部件上,如舵面蒙皮、设备口盖、小飞机的机身和机翼蒙皮等。 
 
  此外,飞机的机载雷达一般采用玻璃纤维增强塑料做成头锥,将它罩住以便能透过电磁波。驾驶舱的座舱盖和风挡玻璃则采用丙烯酸酯透明塑料(有机玻璃),而飞机主起落架必须采用冲击韧性好的超高强度结构钢。 
 
  随着航空技术的进步,新一代复合材料问世,其中的佼佼者就是碳纤维复合材料。它的特点有:高强度(是钢铁的5倍),出色的耐热性(可以耐受2000摄氏度以上的高温),出色的抗热冲击性,低热膨胀系数,热容量小(节能),比重小(是钢的1/5),优秀的抗腐蚀与辐射性能。上世纪70年代以后,有越来越多的飞机采用以硼纤维或碳纤维增强的新型复合材料。铝、钛、钢和复合材料,已成为现代飞机的基本结构材料。 
 
  进入21世纪,先进飞机已经越来越青睐碳纤维复合材料,甚至将其在飞机结构总重中所占的比例作为衡量一个国家飞机制造技术的硬指标,并向用于机翼甚至前机身等主承力部件的方向发展。 
 
  航空技术的进步与发展,对航空材料的发展起着积极的推动作用。与此同时,材料科学与工程发展、新型材料的出现、制造工艺与理化测试技术的进步,又为航空新产品的设计与制造提供了重要的物质与技术基础,从而对航空产业的发展起着有效的推动作用。 
 
  波音787:复合材料革命的代表   
 
  从材料学的角度看,波音787飞机是制造业历史上一次革命性的跨越。波音787飞机在机身和主要结构上大面积使用了复合材料,不仅减轻了飞机重量,还减轻了航空公司的维修负担。波音公司的数据显示,复合材料占到波音787飞机结构重量的50%(体积的80%),铝占20%,钛占15%,钢占10%,其他材料占5%。
 
 
  波音787复合材料的使用
文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=2995