復(fù)合材料深入航空制造，未來飛行或?qū)l(fā)生巨變！
在2012年的珠海航展上，一輛蘭博基尼新一代旗艦超級跑車Aventador與眾多波音機(jī)模一起現(xiàn)身波音展臺，吸引了眾人的眼球。而跑車與航空有何關(guān)系呢？原來，盡管在動力、尺寸和外形方面，噴氣式飛機(jī)和跑車可謂相去甚遠(yuǎn)，但出于對提升性能、降低油耗和排放的考慮，兩者不約而同地選擇了復(fù)合材料作為主要結(jié)構(gòu)材料。波音787飛機(jī)與Aventador，正是這樣一對“復(fù)合材料至親”。
事實上，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，復(fù)合材料在客機(jī)上的結(jié)構(gòu)重量日益增加，如今已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用于民用航空制造業(yè)。一些先進(jìn)客機(jī)的復(fù)合材料重量已經(jīng)超過金屬材料，占其總重量的50%以上，這也成了未來民機(jī)在材料選擇方面的一種趨勢。
復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)、不同形態(tài)的組分通過復(fù)合工藝組合而成的一種多相材料，它既保持了原組分材料的主要特點，又顯示了原組分材料所沒有的新性能，可以通過材料設(shè)計使各組分的性能相互補(bǔ)充并彼此聯(lián)系，從而獲得新的優(yōu)越性能。
如今，復(fù)合材料已經(jīng)成為航空材料的“新寵”。美國貝奇飛機(jī)制造公司曾制造出世界上第一架全復(fù)合材料飛機(jī)。它使用了耐熱性能好的碳纖維層，中間夾有環(huán)氧化物。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)要比目前普遍使用的鋁、鋼和鈦的合金材料輕一半，強(qiáng)度和耐熱性幾乎相同。正是因為擁有這些優(yōu)點，世界民機(jī)制造巨頭波音和空客都在逐步加大復(fù)合材料在飛機(jī)上的使用比例，并且在復(fù)合材料的研發(fā)和生產(chǎn)上進(jìn)行了大量的投入。
波音最新研制的波音787夢想客機(jī)所使用的材料中，復(fù)合材料占比有很大提升，達(dá)到50%，遠(yuǎn)超過鋁所占的20%，其中主要以碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料（CFRP）為主。而波音777中復(fù)合材料約占12%，鋁占50%。此外，波音747系列的新機(jī)型波音747-8洲際客機(jī)和747-8貨機(jī)也應(yīng)用了很多新技術(shù)，其中就包括復(fù)合材料的使用。與波音777飛機(jī)一樣，波音747-8飛機(jī)廣泛采用新一代鋁合金，更重要的是，它還在襟翼、擾流板、短艙和方向舵中采用石墨復(fù)合材料。
波音的競爭對手空客是首家在大型民用飛機(jī)上廣泛采用復(fù)合材料的飛機(jī)制造商。在其從事民機(jī)制造的近30年來，空客飛機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量日益增加，從最初的空客A300飛機(jī)的不足5%，到空客A380飛機(jī)的25%，再到空客A350XWB的53%。空客飛機(jī)上第一次實現(xiàn)了
復(fù)合材料的用量超過了金屬材料?？湛虯350XWB的復(fù)合材料、輕金屬材料和硬金屬材料的比例分別是53%、20%和21%。被稱為“空中巨無霸”的空客A380則約有25%由先進(jìn)輕質(zhì)復(fù)合材料制造，其中22%為碳、玻璃或者石英纖維增強(qiáng)塑料，3%為GLARE（一種玻璃纖維――鋁層壓板）材料。
復(fù)合材料的使用對航空制造業(yè)的改變是顯而易見的。以波音787為例，其擁有更高的燃油效率，單位碳排放也有所減少，這在很大程度上得益于CFRP的運用。CFRP由塑
料基體（環(huán)氧樹脂）包圍的碳纖維組成，樹脂對纖維起到了支持和保護(hù)的作用，它的密度比鋁輕30%，比鋼輕50%，吸收碰撞能量的性能極強(qiáng)，在抗腐蝕、疲勞和老化等方面也有上佳表現(xiàn)。
作為集碳材料強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大優(yōu)勢于一身的增強(qiáng)纖維，碳纖維的密度不到鋼的1/4，但抗拉強(qiáng)度卻是鋼的10倍。在將碳纖維重疊為纖維層的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，波音787采用了具有較強(qiáng)韌性的高韌性粒子，強(qiáng)化了在各層之間起到黏合劑作用的基體樹脂，大幅加大了飛機(jī)尤其是客艙的強(qiáng)度。
其中最引人注目的是碳纖維復(fù)合材料機(jī)身。波音787獨特的一體式復(fù)合材料機(jī)身桶省去了所有縱向蒙皮拼接件。有業(yè)內(nèi)人士指出，波音787的機(jī)身段省去了1500塊鋁合金鈑料零件和4萬個~5萬個連接件。與傳統(tǒng)的板塊構(gòu)造相比，復(fù)合材料的使用使得機(jī)體結(jié)構(gòu)件尺寸更小，而且更加輕盈和堅固，維修成本也可節(jié)省30%。
這種材料可以像布料一樣剪裁，因此新的生產(chǎn)工序制造出的邊角余料和廢料減少了?，F(xiàn)有的飛機(jī)主要是鋁制的，必須將大片或大塊材料碾碎后機(jī)器加工，然后用來制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)。被用來制造飛機(jī)零部件的原材料中，通常有90%在生產(chǎn)過程中成為了邊角余料。雖然這些材料可以再循環(huán)，但盡可能避免浪費無疑是更好的辦法。波音787復(fù)合材料方案解決了這個效率問題。
空客A350XWB機(jī)型采用的增壓型多板式復(fù)合材料機(jī)體也是航空復(fù)合材料在使用方面的一項重大進(jìn)展和成就，這項技術(shù)已在空客A380飛機(jī)上得到驗證。空客表示，對于運營商而言，復(fù)合材料在運營期間不會有腐蝕和疲勞損傷，但對于受到外物撞擊（比如鳥撞），除了目視檢查外，還須進(jìn)行額外的詳細(xì)無損評估（如采用超聲波、共振方法），并開展必要的修理。除了運營中的檢查需求外，復(fù)合材料在制造過程中也采用超聲波或X射線等無損檢測方法確保產(chǎn)品沒有缺陷。為此，空客通過與研究機(jī)構(gòu)的合作，開發(fā)出了先進(jìn)的無損檢測方法。
當(dāng)然，復(fù)合材料也不是萬能的。波音和空客通過循序漸進(jìn)的方法擴(kuò)大了復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)上的使用范圍，同時還兼顧了金屬結(jié)構(gòu)件的優(yōu)點。復(fù)合材料并不適用于飛機(jī)所有零部件的制造，其優(yōu)勢取決于部件所承受的載荷、應(yīng)力類型以及部件的位置。空客仍在繼續(xù)開發(fā)先進(jìn)的超輕型合金。
來源：西交青島智能焊接 西交青島智能焊接
建筑資質(zhì)代辦咨詢熱線：13198516101
咨詢熱線：13198516101 
