飛機工業中的複合材料

這是一個主題頁面。Appropedia 的重點是原創研究，但此頁面提供了有用的上下文並有助於瀏覽網站。您可以透過改進此頁面來幫助 Appropedia 。閱讀更多...

複合材料^W廣泛應用於飛機工業，使工程師能夠克服單獨使用這些材料時所遇到的障礙。複合材料中的組成材料保留其特性，不會溶解或以其他方式完全相互融合。這些材料共同創造了一種具有改進結構性能的「混合」材料。

輕質、耐高溫複合材料的開發將使下一代高性能、經濟的飛機設計成為現實。使用此類材料將減少燃油消耗、提高效率並降低飛機的直接運作成本。

複合材料可以形成各種形狀，如果需要，可以將纖維緊密纏繞以增加強度。複合材料的一個有用特徵是它們可以分層，每層中的纖維以不同的方向延伸。這使得工程師能夠設計具有獨特屬性的結構。例如，可以設計一種結構，使其向一個方向彎曲，而不向另一個方向彎曲。^[2]

基礎複合材料的合成

在基本複合材料中，一種材料可作為支撐基質，而另一種材料則在此基礎支架上建造並增強整個材料。材料的形成可能是一個昂貴且複雜的過程。本質上，基材基體在高溫高壓下放置在模具中。然後將環氧樹脂或樹脂倒在基材上，當複合材料冷卻時形成堅固的材料。該複合材料還可以透過將輔助材料的纖維嵌入基礎基質中來生產。

複合材料具有良好的拉伸強度和抗壓縮性，使其適合用於飛機零件製造。材料的拉伸強度來自其纖維性質。當施加拉力時，複合材料內的纖維與所施加的力的方向對齊，從而賦予其抗拉強度。良好的抗壓縮性可歸因於基礎基質系統的黏合性和剛度特性。樹脂的作用是保持纖維呈直柱狀並防止它們彎曲。

航空和複合材料

複合材料對航空工業很重要，因為它們提供與金屬合金相當的結構強度，但重量更輕。這可以提高飛機的燃油效率和性能。^{[3] [4]}

複合材料在航空工業中的作用

玻璃纖維是最常見的複合材料，由嵌入樹脂基體的玻璃纖維組成。玻璃纖維在 20 世紀 50 年代首次廣泛應用於船舶和汽車領域。玻璃纖維於 20 世紀 50 年代首次用於波音 707客機，約佔結構的 2%。波音公司製造的每一代新飛機的複合材料使用比例都在增加；複合材料使用率最高的是787 夢幻飛機50% 。

波音 787 夢幻飛機將是第一架主要結構元件由複合材料而不是鋁合金製成的商用飛機。^[1]這架飛機將從老式的玻璃纖維複合材料轉向更先進的碳層壓板和碳夾層複合材料。夢想飛機的翼盒遇到了問題，原因是用於製造該部件的複合材料的剛度不足。^[1]這導致飛機的初始交付日期延遲。為了解決這些問題，波音公司正在透過在已製造的翼盒上添加新支架來加固翼盒，同時修改尚未製造的翼盒。^[1]

複合材料測試

由於材料的複雜性，人們發現很難透過電腦模擬來準確地模擬複合材料零件的性能。複合材料通常會相互層疊以增加強度，但這使得製造前的測試階段變得複雜，因為各層的方向不同，因此很難預測它們在測試時的表現。^[1]

零件也可以進行機械應力測試。這些測試從小比例模型開始，然後逐漸擴展到結構的較大部分，最後到完整的結構。這些結構部件被放入液壓機中，液壓機可以彎曲和扭曲它們，以模擬遠遠超出實際飛行中最壞預期條件的應力。

複合材料使用因素

減輕重量是複合材料使用的最大優勢，也是決定其選擇的關鍵因素之一。其他優點包括其高耐腐蝕性和抗疲勞損壞能力。從長遠來看，這些因素對降低飛機的營運成本、進一步提高其效率起到了作用。複合材料的優點是可以使用成型製程形成幾乎任何形狀，但這使得本已困難的建模問題變得更加複雜。

使用複合材料的一個主要缺點是它們是一種相對較新的材料，因此成本較高。高成本也歸因於勞動密集且通常複雜的製造過程。複合材料很難檢查缺陷，而且其中一些會吸收水分。

相比之下，鋁雖然較重，但易於製造和維修。它可能會凹陷或刺穿，但仍然保持在一起。複合材料不是這樣的；如果它們被損壞，則需要立即修復，這是困難且昂貴的。

重量減輕，節省燃料

燃油消耗取決於幾個變量，包括：飛機乾重、有效載荷重量、飛機年齡、燃油質量、空速、天氣等。由複合材料製成的飛機部件的重量減少了約 20%，例如 787 夢幻飛機。^[4]

以下將對空中巴士 A340-300 飛機空重減少 20% 時的總燃油節省進行範例計算。

本案例研究的初始樣本值是從外部來源獲得的。^[5]

鑑於：

• 工作空重 (OEW)：129,300kg
• 最大零燃油重量（MZFW）：178,000kg
• 最大起飛重量（MTOW）：275,000kg
• 最大限度。範圍@最大。重量：10,458公里

其他數量可以根據上面給出的數字計算：

• 最大貨物重量 = MZFW - OEW = 48,700kg
• 最大燃油重量 = MTOW - MZFW = 97,000kg

因此，我們可以根據最大油重和最大續航里程進一步計算油耗（kg/km）= 97,000kg/10,458km = 9.275kg/km

以下是重量減輕 20% 時預計節省的燃料的計算，這只會使 OEW 值降低 20%：

• OEW（新）= 129,300 公斤 * 0.8 = 103,440 公斤，相當於減輕了 25,860 公斤的重量。

假設貨物和燃油重量不變：

• MZFW（新）= MZFW - 25,680kg = 152,320kg
• 最大起飛重量（新）= 最大起飛重量 - 25,680 公斤 = 249,320 公斤

97,000 公斤的燃料質量需要處理的 MTOW 會減少，因此航程也會增加，因為最大重量和最大航程是成反比的量。

使用簡單比率計算新範圍：

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

求解 X 給出了新的範圍：

• X = 11,535.18公里

這給出了重量減輕後的新油耗值 = 97,000kg/11,535.18km = 8.409kg/km

綜合來看，在行駛10,000 公里的過程中，大約可節省燃油8,660 公斤，空重減少 20%。

對環境造成的影響

綠色工程的轉變更加突出。當今社會對我們的環境給予了越來越多的思考和關注。對於複合材料製造也是如此。

如前所述，複合材料與較重的材料相比具有更輕的重量和相似的強度值。當較輕的複合材料被運輸或用於運輸應用時，與較重的替代品相比，環境負荷較低。複合材料也比金屬材料更耐腐蝕，這意味著零件的使用壽命更長。^[7]從環境角度來看，這些因素結合起來使複合材料成為良好的替代材料。

傳統生產的複合材料由石油基纖維和樹脂製成，本質上是不可生物降解的。^[8]這提出了一個重大問題，因為一旦複合材料的生命週期結束，大多數複合材料最終都會進入垃圾掩埋場。^[8]由天然纖維製成的可生物降解複合材料正在進行大量研究。^[9]可生物降解的複合材料的發現，這種材料可以輕鬆大規模製造，並且具有與傳統複合材料相似的性能，這將徹底改變包括航空業在內的多個行業。

幫助環保工作的另一個選擇是回收退役飛機上的舊零件。飛機的「非工程化」是一個複雜且昂貴的過程，但由於購買第一手零件的成本高昂，可能會為公司節省資金。^[6]

未來複合材料

陶瓷基複合材料

美國國家航空暨太空總署 (NASA)正在大力開發用於飛機零件的輕質高溫複合材料。根據初步計算，概念引擎的渦輪入口溫度預計高達 1650°C。^[3]為了使材料能夠承受這樣的溫度，需要使用陶瓷基複合材料（CMC）。在先進引擎中使用 CMC 還可以提高引擎的運行溫度，從而提高產量。^[10]雖然CMC是有前途的結構材料，但由於缺乏合適的增強材料、加工困難、壽命和成本，其應用受到限制。

蜘蛛絲纖維

蜘蛛絲是另一種有前途的複合材料用途材料。蜘蛛絲具有高延展性，可將纖維拉伸至正常長度的 140%。^[11]蜘蛛絲在低至 -40°C 的溫度下也能保持其強度。^[11]這些特性使蜘蛛絲成為生產延性複合材料的理想纖維材料，即使在異常溫度下也能保持其強度。延展性複合材料將有利於飛機上承受可變應力的零件，例如機翼與機身的連接。這種複合材料強度、韌性和延展性的提高將允許在災難性故障之前向零件或連接處施加更大的應力。基於合成蜘蛛絲的複合材料還具有纖維可生物降解的優點。

人們在實驗室中進行了許多複製蜘蛛絲的嘗試，但都沒有成功，但尚未實現完美的重新合成。^[12]

混合複合鋼板

另一種有前途的材料是不銹鋼，靈感來自複合材料、奈米技術纖維和膠合板。鋼板由相同的材料製成，並且能夠以與傳統鋼材完全相同的方式處理和加工。但在相同強度的情況下，重量要輕一些。這對於車輛製造尤其有價值。正在申請專利的瑞典公司 Lamera 是沃爾沃工業公司研究部門的衍生公司。

結論

由於其較高的強度重量比，複合材料比傳統金屬材料具有優勢；儘管如此，目前製造複合材料的成本昂貴。在引入技術來降低初始實施成本並解決當前複合材料的不可生物降解性問題之前，這種相對較新的材料將無法完全取代傳統的金屬合金。

參考

頁面數據

部分	機甲370
關鍵字	飛機,材料,材料 加工
作者	約翰·勒夫斯特羅姆· BSKukreja
執照	CC-BY-SA-3.0
組織機構	女王大學
語言	英語（en）
翻譯	西班牙語,義大利語,葡萄牙語,斯洛伐克語,俄語,土耳其語,希伯來語,荷蘭語,法語,印尼語
有關的	19個子頁面，26頁連結在這裡
別名	複合材料在飛機工業的應用
影響	86,287 頁面瀏覽量
已創建	十月 29, 2009由BSKukreja
修改的	2024 年1 月 29 日作者：Felipe Schenone
引用為	BSKukreja，約翰·勒夫斯特羅姆（2009-2024）。「飛機工業中的複合材料」。附錄。檢索日期：2024 年 4 月 4 日。
API查詢	基本，語義，html，文件，更多