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[新疆理化所]新材料支起大飞机
资料来源:中科院新疆理化所 作者:黄毅华

摘要:要制造大飞机发展新型的复合材料是关键。复合材料由两种或两种以上不同材料通过某种方法结合而成。其中各组分彼此"取长补短"、"大力协同",使性能比各单独组分材料更优异。

目前我国载重40吨以上的大飞机只有14架,在1998年抗洪救灾时,70%的救灾物资是靠这14架飞机运输的。2005年,我国与俄罗斯签订协议计划再购买38架运输大飞机,但最近听说,协议的执行遇到了困难。基于各方考虑,2006年7月,我国政府做出了大型客机与运输机一起上的决定。2008年5月11日,中国商用大飞机公司在上海正式挂牌。正如著名的材料界前辈师昌绪院士
说:“发展大飞机,材料要先行。”70年代,飞机空重比全重大约在50% ~60%左右,到了90年代,空重占全重大约在40%左
右,这说明飞机上留出了很大的比例用来装人、载物,如果没有新材料、新技术的话不可能有这样大的进步。
  要制造大飞机发展新型的复合材料是关键。复合材料是由两种或两种以上不同的材料通过某种方法结合而成的新材料。其中各组分材料一般仍保持其原有持性,但它们彼此"取长补短"、"大力协同",使新材料的性能比各单独组分材料更优异。通常人们将复合材料中构成连续相的组分称为基体,非连续相的组分称为增强材料。 轻质、高强度和高模量的复合材料属先进复合材料,它主要适于作结构材料。复合材料具有各向异性和性能可设计性特点,设计者可以根据工程结构的使用条件选用适当的组分材料和调整增强材料的方向使设计的结构重量轻、安全可靠和经济合理。 先进复合材料分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳-碳复合材料以及它们相互混合构成的复合材料。

复合材料在机身上的应用
  2000年以前在民机中复合材料只占到结构重量的10%左右,A380也只有20%左右,在当时波音787的设计方案中,复合材料用量达到了整个结构重量的40% 以上,现在接近5O% 。但在军机方面,英国、德国合作生产的欧洲战斗机复合材料用量已接近
80%。复合材料的优点在于它不需要象金属材料那样的大锻件、大铸件,需要许多大型锻造、铸造等加工设备。复合材料有很好的整体性,不仅改变了材料种类,还改变了制造方法,大大增加了设计空间,给我国的制造业带来了新的机遇,也带来了挑战。很多部件都可以埋在一层一层的片子里面了,如无线电的高频电缆就变成了复合材料一层里面的一个部分,为了做健康诊断,还可把应变片埋进去,进一步也可把天线也埋到复合材料里面去,同时要尽量用大件,不用小零件拼,这样就会使飞机的结构重量大大减
轻。

纤维增强复合材料在飞机发动机涡轮上的应用。

纤维增强材料的一个特点是各向异性,因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料,在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合,不但钛的耐热性提高,且耐磨损,可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合,使用温度可达1500℃,比超合金涡轮叶片的使用温度(1100℃)高得多。非金属基复合材料由于密度小,用于飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。

碳-碳复材料在飞机刹车片上的应用

2005年由中南大学黄伯云院士等研制成功的碳-碳复合材料飞机刹车片结束了国家技术发明一等奖连续六年空缺的历史。是由碳纤维增强剂与碳基体组成的复合材料。碳-碳复合材料具有比强度高、抗热震性好、耐烧蚀性强、性能可设计等一系列优点。碳-碳复合材料的发展是和航空航天技术所提出的苛刻要求紧密相关。80年代以来,碳-碳复合材料的研究进入了提高性能和扩大应用的阶段。在军事工业中,碳-碳复合材料最引人注目的应用是航天飞机的抗氧化碳-碳鼻锥帽和机翼前缘,用量最大的碳-碳产品是超音速飞机的刹车片。碳-碳复合材料在宇航方面主要用作烧蚀材料和热结构材料,具体而言,它是用作洲际导弹弹头的鼻锥帽、固体火箭喷管和航天飞机的机翼前缘。目前先进的碳-碳喷管材料密度为1.87~1.97克/厘米3,环向拉伸强度为75~115兆帕。近期研制的远程洲际导弹端头帽几乎都采用了碳-碳复合材料。
  随着现代航空技术的发展,飞机装载质量不断增加,飞行着陆速度不断提高,对飞机的紧急制动提出了更高的要求。碳-碳复合材料质量轻、耐高温、吸收能量大、摩擦性能好,用它制作刹车片广泛用于高速军用飞机中。
  不久的将来,当我国自行研制的大飞机起飞的时候,相信我国新材料领域将随着大飞机一同翱翔蓝天。

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