飞机工业中的复合材料

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复合材料^W广泛应用于航空工业，使工程师能够克服单独使用材料时遇到的障碍。组成材料在复合材料中保留其特性，不会溶解或完全融合在一起。这些材料结合在一起，形成了一种具有改进结构性能的“混合”材料。

轻质、耐高温复合材料的开发将使下一代高性能、经济的飞机设计成为现实。使用此类材料将减少燃油消耗、提高效率并降低飞机的直接运营成本。

复合材料可以制成各种形状，如果需要，可以将纤维紧密缠绕以增加强度。复合材料的一个有用特性是它们可以分层，每层中的纤维都朝不同的方向延伸。这使工程师能够设计具有独特性能的结构。例如，可以设计一个结构使其朝一个方向弯曲，但不会朝另一个方向弯曲。^[2]

基础复合材料的合成

在基础复合材料中，一种材料充当支撑基质，而另一种材料则建立在此基础支架上并加固整个材料。材料的形成可能是一个昂贵而复杂的过程。本质上，在高温高压下将基础材料基质铺在模具中。然后将环氧树脂或树脂倒在基础材料上，当复合材料冷却时形成坚固的材料。复合材料也可以通过将次要材料的纤维嵌入基础基质中来生产。

复合材料具有良好的抗拉强度和抗压强度，因此适合用于制造飞机部件。材料的抗拉强度来自其纤维性质。当施加拉力时，复合材料中的纤维会与施加力的方向对齐，从而产生抗拉强度。良好的抗压强度可归因于基体系统的粘合性和刚度特性。树脂的作用是将纤维保持为直柱并防止其弯曲。

航空和复合材料

复合材料对航空工业很重要，因为它们提供与金属合金相当的结构强度，但重量更轻。这可以提高飞机的燃油效率和性能。^{[3] [4]}

复合材料在航空工业中的作用

玻璃纤维是最常见的复合材料，由嵌入树脂基质的玻璃纤维组成。玻璃纤维最早在 20 世纪 50 年代被广泛用于船舶和汽车。20 世纪 50 年代，玻璃纤维首次用于波音707 客机，约占飞机结构的 2%。波音公司制造的每一代新飞机的复合材料使用率都在增加；最高的是787 梦想飞机，复合材料的使用率达到 50% 。

波音 787 梦想飞机将是第一架主要结构元件由复合材料而不是铝合金制成的商用飞机。^[1]这架飞机将从老式的玻璃纤维复合材料转向更先进的碳层压板和碳夹层复合材料。梦想飞机的翼盒遇到了问题，其原因是用于制造该部件的复合材料的刚度不足。^[1]这导致飞机的初始交付日期延迟。为了解决这些问题，波音公司正在通过在已制造的翼盒上添加新支架来加固翼盒，同时修改尚未制造的翼盒。^[1]

复合材料测试

由于复合材料的复杂性质，很难通过计算机模拟准确模拟复合材料部件的性能。复合材料通常层层叠加以增加强度，但这使制造前的测试阶段变得复杂，因为各层的方向不同，很难预测它们在测试时的表现。^[1]

还可以对零件进行机械应力测试。这些测试从小比例模型开始，然后逐渐扩大到结构的更大部分，最后到完整的结构。这些结构部件被放入液压机中，液压机可以弯曲和扭曲它们，以模拟远远超出实际飞行中最坏预期条件的应力。

复合材料使用的因素

减轻重量是使用复合材料的最大优势，也是选择复合材料的关键因素之一。其他优势包括高耐腐蚀性和抗疲劳性。从长远来看，这些因素有助于降低飞机的运营成本，进一步提高飞机的效率。复合材料的优势在于，它们可以通过成型工艺制成几乎任何形状，但这使本来就很困难的建模问题变得更加复杂。

使用复合材料的主要缺点是它们是一种相对较新的材料，因此成本较高。高成本还归因于劳动力密集且通常复杂的制造过程。复合材料很难检查是否有缺陷，而且其中一些会吸收水分。

相比之下，铝虽然较重，但易于制造和维修。它可能会凹陷或刺破，但仍然保持在一起。复合材料不是这样的；如果它们被损坏，则需要立即修复，这是困难且昂贵的。

重量减轻，节省燃料

燃油消耗取决于几个变量，包括：飞机干重、有效载荷重量、飞机年龄、燃油质量、空速、天气等。由复合材料制成的飞机部件的重量减少了约 20%，例如 787 梦想飞机。^[4]

下面将对空客 A340-300 飞机空重减少 20% 时的总燃油节省进行示例计算。

本案例研究的初始样本值是从外部来源获得的。^[5]

鉴于：

• 工作空重 (OEW)：129,300kg
• 最大零燃油重量（MZFW）：178,000kg
• 最大起飞重量（MTOW）：275,000kg
• 最大航程@最大重量：10,458公里

其他数量可以根据上面给出的数字计算出来：

• 最大货物重量 = MZFW - OEW = 48,700 公斤
• 最大燃油重量 = MTOW - MZFW = 97,000 千克

因此，我们可以根据最大油重和最大续航里程进一步计算油耗（kg/km）= 97,000kg/10,458km = 9.275kg/km

以下是在重量减轻 20% 的情况下预期节省的燃料的计算，这只会将 OEW 值降低 20%：

• OEW（新）= 129,300 公斤 * 0.8 = 103,440 公斤，相当于减轻了 25,860 公斤的重量。

假设货物和燃油重量保持不变：

• MZFW（新）= MZFW - 25,680千克= 152,320千克
• 最大起飞重量（新）=最大起飞重量-25,680千克=249,320千克

97,000 公斤的燃料重量可以减少最大起飞重量，因此航程会增加，因为最大重量和最大航程是成反比的。

使用简单比率计算新的范围：

249,320kG275,000kG=10,第458章k米Xk米{\displaystyle {\frac {249,320kg}{275,000kg}}={\frac {10,458km}{Xkm}}}

求解 X 可得出新的范围：

• X = 11,535.18公里

这给出了重量减轻后的新油耗值 = 97,000kg/11,535.18km = 8.409kg/km

具体来说，在10,000 公里的行程中，将节省约8,660 公斤的燃料，空重减少 20%。

对环境造成的影响

绿色工程的发展趋势愈发明显。当今社会越来越重视和关注我们的环境。复合材料制造也是如此。

如前所述，复合材料的重量更轻，强度值与较重的材料相似。当运输较轻的复合材料或将其用于运输应用时，与较重的替代品相比，其环境负荷较低。复合材料也比金属基材料更耐腐蚀，这意味着零件的使用寿命更长。^[7]从环境角度来看，这些因素结合起来使复合材料成为良好的替代材料。

传统生产的复合材料由石油基纤维和树脂制成，本质上不可生物降解。^[8]这是一个严重的问题，因为大多数复合材料在其生命周期结束后都会被填埋。^[8]目前，人们正在对由天然纤维制成的可生物降解复合材料进行大量研究。^[9]可生物降解复合材料的发现可以很容易地大规模生产，并且具有与传统复合材料相似的性能，这将彻底改变包括航空业在内的多个行业。

帮助环保工作的另一种选择是回收退役飞机上的旧零件。飞机的“非工程化”是一个复杂且昂贵的过程，但由于购买第一手零件的成本高昂，可能会为公司节省资金。^[6]

未来复合材料

陶瓷基复合材料

美国国家航空航天局 (NASA)正在大力开发用于飞机部件的轻质耐高温复合材料。根据初步计算，概念发动机的涡轮进气口温度预计高达 1650°C。 ^[3]为了使材料能够承受这样的温度，需要使用陶瓷基复合材料 (CMC)。在先进发动机中使用 CMC 还可以提高发动机的运行温度，从而提高产量。^[10]尽管 CMC 是一种很有前途的结构材料，但由于缺乏合适的增强材料、加工困难、寿命和成本等原因，其应用受到限制。

蜘蛛丝纤维

蜘蛛丝是另一种有前景的复合材料用途材料。蜘蛛丝具有高延展性，可将纤维拉伸至其正常长度的 140%。^[11]蜘蛛丝在低至 -40°C 的温度下也能保持其强度。^[11]这些特性使蜘蛛丝非常适合用作生产延性复合材料的纤维材料，即使在异常温度下也能保持其强度。延展性复合材料将有利于飞机上承受可变应力的部件，例如机翼与机身的连接。这种复合材料增加的强度、韧性和延展性将允许在发生灾难性故障之前向零件或连接处施加更大的应力。基于合成蜘蛛丝的复合材料还具有纤维可生物降解的优点。

人们曾多次尝试在实验室中复制蜘蛛丝，但都没有成功，完美的再合成尚未实现。^[12]

混合复合钢板

另一种有前景的材料是不锈钢，其灵感来自复合材料、纳米技术纤维和胶合板。钢板由相同的材料制成，能够以与传统钢材完全相同的方式进行处理和加工。但在强度相同的情况下，重量要轻一些。这对于汽车制造尤其有价值。瑞典公司 Lamera 正在申请专利，该公司是沃尔沃工业公司研究部门的子公司。

结论

由于复合材料具有较高的强度重量比，因此比传统金属材料更具优势；尽管目前制造复合材料的成本很高。除非引入技术来降低初始实施成本并解决当前复合材料不可生物降解的问题，否则这种相对较新的材料将无法完全取代传统金属合金。

参考

页面数据

部分	MECH370
关键词	飞机,材料,材料 加工
作者	BSKukreja，Johan Löfström
执照	CC-BY-SA-3.0
组织	皇后大学
语言	英语（en）
有关的	子页面，页面链接在这里
别名	复合材料在航空工业中的应用
影响	86,287 页面浏览量
已创建	十月 29, 2009由BSKukreja
修改的	2024 年1 月 29 日作者：Felipe Schenone
引用为	BSKukreja，约翰·勒夫斯特罗姆（2009-2024）。“飞机工业中的复合材料”。附录。检索日期：2024 年 5 月 20 日。
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