航空飞机材料的新宠——复合材料

时间:2020-01-06 12:30:10 材料毕业论文 我要投稿

航空飞机材料的新宠——复合材料

  神奇的大自然总是源源不断地馈赠给人类智慧的灵感,就像所有的蜂巢都拥有统一的建造角度和模式一样—正六角形房孔,相邻的房孔共用一堵蜡和丝制成的墙,孔底由3个完全相同的菱形组成。这不仅非常节省建筑材料,并且具有极佳的结构稳定性。在精巧的蜂窝结构启示下,2005年,全球首架全复合材料飞机就使用了蜂窝状的碳纤维层合板。这种新型结构在保证强度、刚度和耐热性的前提下,却比飞机普遍使用的铝、钢和钛合金材料的重量减轻了一半。

航空飞机材料的新宠——复合材料

  正是因为这些优势,复合材料已经成为航空材料的“新宠”。其在客机上的结构重量日益增加,如今已经开始广泛应用于民用航空制造业。一些先进客机的复合材料重量已经超过金属材料,占其总重量的50%以上,这也成为未来民机在材料选择方面的一种趋势。

  为了满足飞机在飞行中一系列苛刻的要求,飞机制造商对复合材料的使用非常谨慎,而其中很多关键问题的答案都需要科学家的深刻认识与理论阐释。段慧玲就是这样一位专家。作为北京大学工学院力学与工程科学系的研究员,她在复合材料研究领域钻研多年,获得了很多具有国际影响力的研究成果。

  由于杰出的科技成就,段慧玲获得了由中华全国妇女联合会、中国科学技术协会、中国联合国教科文组织全国委员会及欧莱雅中国共同主办的第11届“中国青年女科学家奖”。在颁奖现场,记者就复合材料在航空领域应用的.相关问题采访了段慧玲。

  记者:在航空复合材料研究领域,其研究目标主要是什么?

  段慧玲:我们主要研究的是复合材料的强度和刚度。尤其是用于飞机制造业的材料,其中一个重要的因素就是尽可能减轻重量。因此,我们的研究就是要在保证复合材料重量轻的情况下,保证其较大的强度和刚度,并防止出现裂纹。

  这些复合材料都是三明治结构的,就像自然界的蜂巢,实际上它中间的“心”是空的,这样重量才会轻。但是,这种结构一受力就会被压扁。为了避免这种情况的发生,我们就要进行设计,使其具有较大的刚度。因此,工程师通常会在复合材料中添加涂层。选用何种涂层材料、涂层厚度怎样确定、涂层会对材料特性带来哪些影响,这些都直接决定了材料的刚度和强度。

  记者:目前世界上最先进的民用飞机,如波音787、空客A350在复合材料的应用上都超过了整个机体材料的50% 。但是制造商在复合材料的应用方面仍然比较谨慎,就目前的技术来看,复合材料在民机制造领域的应用达到了怎样的程度?

  段慧玲:复合材料已经可以部分替代飞机上的金属材料了,但是不可能全部替代。比如一些大的受力结构或者核心部件,将来的飞机发动机肯定使用的还是钢材。

  记者:复合材料在民机制造业的应用还而临哪些挑战?

  段慧玲:从力学角度来讲,复合材料目前存在的问题是,在飞机飞了一段时间之后,都要进行缺陷检查。比如这架飞机飞了100天,需要检查有没有出现缺陷或者裂纹,否则时间长了就会产生安全隐患。

  过去我们可以通过各种方法对金属材料进行检查。但是对于复合材料而言,目前尚没有很好的方法对其进行检查。因为钢材是一种均匀材料,出现裂缝可以判断出来。但是复合材料则是一些纤维,由很多层叠合而成,是一个非常复杂的结构,里而出现一些小的缺陷是很难被发现的。所以,制定复合材料无损探伤方面的研究和检查规范变得非常重要。

  记者:目前,国产大飞机在复合材料的应用方面情况如何?我国在复合材料领域的研究水平如何?

  段慧玲:目前,国产大飞机在复合材料的应用上还比较保守,我们首先要保证的是飞机安全飞起来。实际上,我国复合材料的研制水平与发达国家相比差距还很大,比如碳纤维材料本身。就我的了解,碳纤维的质量不高在中国是一个非常大的问题。

  记者:这些问题背后的原因主要是什么?是科研能力不足,还是管理能力不足?

  段慧玲:我觉得原因主要有两个方面,一是中国进行科学研究的时间还比较短,尽管一直在加速,但仍需要一个过程去赶上发达国家。二是管理上还存在很多问题,虽然我们投入了很多资金来进行研发,而且在材料理论方面的研究也并不少,发表了很多有影响力的文章,但这些成果没有从实验室里“走出来”,无法实现产业化。事实上,一个产品从科研阶段到实现产业化要走很长的路。

  此外,中国制造业的落后与制造工艺水平低也有很大关系,我们工艺的规范、规程都存在问题。但是,我们要坚信,经过我们的努力,会逐渐消除这个差距,实现从“中国制造”到“中国创造”的转变。

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