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先进材料在军用飞机上的应用
发布者:产业用及无纺布展 | 发布日期:2019/9/20 15:02:50


  伴随高新材料技术的发展,各种先进材料在航空工业中应用越来越广泛。飞机结构必须要有足够的强度、刚度和抗疲劳的能力,且总质量在满足各条件下最小。
  
  对于军用飞机来说,还要考虑其生存力及其他特殊性能。而材料的选择,是满足这些条件的最主要因素之一。
  
  金属基复合材料
  
  金属基复合材料,是以金属或合金为基体,含有一种或数种金属或非金属增强体成分的复合材料。铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体,而增强材料一般主要为纤维、颗粒和晶须三类。
  
  其中铝基复合材料的研究和应用最为广泛,早在20世纪80年代,洛克希德·马丁公司将DWA复合材料公司生产25%SiCp/6061Al复合材料用作飞机上承放电子设备的支架,其刚度比原用的7075铝合金约高65%。
  
  近年来,以颗粒增强铝为代表的金属基复合材料作为主承载结构件,在先进飞机上获得广泛应用。DWA复合材料公司与洛克希德·马丁公司及空军合作,将粉末冶金法制备的碳化硅颗粒增强铝基6092Al复合材料,用于F-16战斗机的腹鳍,代替了原有的2214铝合金蒙皮,刚度提高50%,寿命提高17倍,可以大幅度减少检修次数,节约检修费用,并使飞机的机动性能得到提高。F-18战斗机上采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料,作为液压制动器缸体,与替代材料铝青铜相比,不仅净质量减小,热膨胀系数降低,而且疲劳极限还提高1倍以上。


  

  F-16战隼战斗机  

  在直升机上的应用方面,英国航天金属基复合材料公司采用高能球磨粉末冶金法制备除了高刚度、耐疲劳的碳化硅颗粒增强铝基复合材料,用该种材料制造的直升机旋翼系统连接用模锻件,已成功地用于欧直公司生产的N4及EC-120新型直升机,其应用效果:与铝合金相比,构件的刚度提高约30%,寿命提高约5%;与钛合金相比,构件重量下降约25%。


  

  EC-120直升机 

  金属基复合材料把金属良好的韧性、延展性、容易成形和强度高的优点与陶瓷的高硬度耐烧蚀和重量轻的优点结合在一起,形成一种崭新的材料。它既克服了陶瓷的脆性和不能抗弹丸多次打击的缺点,又弥补了金属硬度不够和较重的缺点,具有优良的抗弹性能。人们可以根据需要,制造出金属和陶瓷成分无限变化的金属基复合材料。
  
  在多数金属基复合材料中,陶瓷都是作为增强物,含量按体积通常在30%以下。在有些复合材料中,陶瓷含量高达80%。比如,美国空军飞机C-130的防弹装甲是用铝/碳化硼复合材料制造的。按体积,铝的含量约25%-30%,碳化硼的含量约70%-75%,这种装甲的密度仅2.6克/cm3,能够使每架C-130飞机的重量减轻约1365kg,但装甲的防弹性能却比迄今使用的铝/碳化硅和铝/氧化铝装甲复合材料高。
  
  碳纤维复合材料
  
  碳纤维是纤维状的碳素材料,含碳量在90%以上,力学性能优异,具有低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电导热性、电磁屏蔽性等优良性能,被广泛应用于军事及民用工业的各个领域。碳纤维复合材料主要有碳纤维增强树脂基复合材料和碳-碳复合材料。
  
  碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上,碳纤维复合材料应用于战机主机构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。
  
  国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明显的减重作用,大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能,数据显示采用复合材料结构的前机身段,可比金属结构减轻质量31.5%,减少零件61.5%,减少紧固件61.3%,复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量,国外第四代军机的结构重量系数已达到27%-28%。
  
  未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右,其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机,已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材料。
  
  美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料:F-22的结构重量系数为27.8%,先进复合材料的用量已达到25%以上,军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人架势的“星舟”轻型机,结构质量约1800kg,其中复合材料用量超过1200kg。1986年美生产的“旅行者”号轻型飞机,其90%以上的结构采用了碳纤维符合材料,创下了不着陆连续九天进行环球飞行的世界记录。
  
  中国某型号飞机也大量采用了碳纤维复合材料,性能得到大幅提升,该机的攻击威力具备了第三代战机的特点。


  B-2幽灵隐形轰炸机 

  由于碳纤维增强复合材料不但是轻质高强的结构材料,还具有隐身的重要功能,如CF/PEEK或CF/PPS具有极好的宽峰吸收性能,能有效地吸收雷达波。美国已用来制造最新型的隐型轰炸机。
  
  美国的P-22超音速飞机的主要结构就是采用了中等模量的碳纤维增强的特种工程塑料。幻影Ⅲ战斗机的减速降落伞盖和弹射装置也由这种材料制成。已成功地用于飞机的肋条、蒙皮及一些连接件、紧固件等雷达波的吸收。B-2隐型轰炸机的机身基材、F117A隐型飞机的局部也都采用了碳纤维改性的高分子吸波材料。
  
  碳-碳复合材料是由碳纤维增强剂与碳基体组成的复合材料,强度高,抗热震性好,耐烧蚀性强,在军用飞机上,主要用于超音速飞机的刹车片。
  
  超高强度钢
  
  由于钛合金和复合材料在飞机上应用的扩大,钢在飞机上用量有所减少,但是飞机的关键承力构件,仍采用超高强度钢制造。
  
  超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200MPa和1400MPa的钢,是为了满足飞机结构上要求高比强度的材料而研究和开发的。目前,在国际上有代表性的低合金超高强度钢300M,是典型的飞机起落架用钢。该材料是在仿美国4340基础上添加Si、Mo、V而发展起来的超高强度的结构钢,具有良好的抗疲劳性能、断裂韧性和抗腐蚀性能,用于长寿命、高可靠性起落架,使之与飞机机体同寿命。我国某型号歼击机也应用了该种低合金超高强度钢。
  
  超高强度钢的发展趋势,是在保证超高强度的同时,不断提高韧性和抗应力腐蚀能力。
  
  其他先进材料
  
  在军机上还应用有其他的先进材料,如陶瓷基复合材料、功能复合材料等。
  
  陶瓷基层状复合材料具有独特的力学性能和抗破坏能力,主要用于制作飞机燃气涡轮发动机喷嘴阀,在提高发动机的推重比和降低燃料消耗方面具有重要的作用。
  
  氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料可用作超音速飞机、火箭发动机喷管和垫圈材料。
  
  碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料可作为高温热交换器、燃气轮机的燃烧室材料。陶瓷基复合材料是未来高推重比发动机涡轮及燃烧系统的首选材料,如用于F-119发动机矢量喷管的内壁板等。
  
  功能复合材料是指除力学性能以外还提供其他物理性能并包括化学和生物性能的复合材料,如隐身性、智能性等,美国的F-117战斗机采用隐身材料,机身机翼和V型垂尾外表面贴吸波薄板或铁氧体复合涂层,起到很好的隐身效果。智能材料是把传感器、致动器、光电器件和微型处理机等埋在复合材料结构中,具有感知周围环境变化,针对这种变化具有自诊断功能、自适应功能、自修复自愈合功能,且具有自决策功能的复合材料,可用于制作飞机上的传感元件、处理元件和驱动元件。


  F-117夜鹰战斗机  
  随着科学技术的进步,新材料的性能会不断得到提升或更多的先进材料不断地被研制出来,军用飞机上会不断地应用更多的各种性能优异的先进材料,从而是飞机的各项性能进一步优化和提升。