現(xiàn)代航空航天的迅速發(fā)展導(dǎo)致了飛機(jī)材料的改進(jìn)。降低成本、輕量化和延長飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件的使用壽命是主要的驅(qū)動(dòng)因素。

復(fù)合材料是通過混合兩種或兩種以上不同的材料，通常具有不同的性質(zhì)，以產(chǎn)生具有有用屬性的物質(zhì)而制成的材料。本文重點(diǎn)介紹了新型復(fù)合材料在航空航天工業(yè)中的優(yōu)勢和應(yīng)用。

復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

由于多種因素，復(fù)合材料在航空航天工程中越來越受歡迎。它們比金屬等傳統(tǒng)材料輕得多。減輕重量在航空航天工程中至關(guān)重要，因?yàn)樗梢蕴岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)性能并減少排放。輕質(zhì)復(fù)合材料在減少航空航天部門的財(cái)務(wù)支出和生態(tài)影響方面都很有用。

復(fù)合材料是高度通用的，因?yàn)樗鼈兡軌虮凰茉斐蓮?fù)雜的配置。不受傳統(tǒng)材料的限制，工程師可以根據(jù)特定飛機(jī)的要求定制零件。

復(fù)合材料還具有極強(qiáng)的抗風(fēng)化和抗疲勞性能，是飛機(jī)制造的理想材料。它們承受異常高溫的能力是主要優(yōu)勢，特別是在航天器和再入飛行器中的應(yīng)用。由于這些原因，復(fù)合材料被用于建造飛機(jī)和航天器的主要承重結(jié)構(gòu)，如機(jī)翼、機(jī)身、起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)艙等。

航空航天用增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料

在過去的幾年中，碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)復(fù)合材料由于其緊湊的尺寸、優(yōu)異的耐久性和耐腐蝕性，已成為航空航天和風(fēng)能設(shè)備的重要材料。由于其低密度，碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料，也稱為碳/碳(C/C)復(fù)合材料，是輕量化復(fù)合材料的杰出組成部分。

兩種非常受歡迎的遠(yuǎn)程飛機(jī)——空客A350和波音787——超過50%的機(jī)身都是由cfrp組成的。A380是第一架采用CFRP復(fù)合材料核心翼盒的飛機(jī)，與最先進(jìn)的鋁合金相比，可節(jié)省1.5噸的重量。

在最近發(fā)表在復(fù)合材料文章中，有作者報(bào)道了碳化鉿納米線(HfCNWs)增強(qiáng)的致密碳纖維復(fù)合材料。將HfCNWs加入到C/C復(fù)合材料中導(dǎo)致了輕量化HfCNWs-C/C復(fù)合材料的發(fā)展。并對兩種復(fù)合材料在1800℃、2100℃和2450℃退火后的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

HfCNWs-C/C的機(jī)械強(qiáng)度保持率(MSR)大于C/C。含HfCNWs的C/C復(fù)合材料的質(zhì)量燒蝕率降低。這是因?yàn)?/span>HfCNWs的分解導(dǎo)致消融期間體重增加。

因此，它被證明是一種輕質(zhì)的超高溫復(fù)合材料，具有出色的高溫效率，顯示出在航空航天領(lǐng)域作為熱結(jié)構(gòu)部件的巨大潛力。

航空航天工業(yè)中的鎂和陶瓷復(fù)合材料

鎂基復(fù)合材料被應(yīng)用于各種功能，包括航空航天飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)組件、制動(dòng)元件和運(yùn)動(dòng)軸。在F16飛機(jī)上，鋁制入口已被用SiC顆粒增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料取代，從而提高了疲勞壽命。

燃?xì)廨啓C(jī)葉片尤其需要能夠承受高溫的材料。極輕的復(fù)合材料渦輪葉片在大約1050°C的渦輪排氣溫度下保持其強(qiáng)度。

在汽車和航空航天領(lǐng)域，制動(dòng)技術(shù)是目前研究的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。在飛機(jī)上，剎車機(jī)構(gòu)根據(jù)流經(jīng)圓盤(轉(zhuǎn)子和定子)的液壓進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)生摩擦，將陶瓷復(fù)合材料部件的外部溫度提高到1500°C到3000°C之間。在商用客機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)中采用這種材料可以減少經(jīng)濟(jì)重量。

波音公司正在為商用飛機(jī)開發(fā)復(fù)合材料Nextel 610/鋁硅酸鹽排放噴嘴和聲學(xué)結(jié)構(gòu)。GE航空在陶瓷復(fù)合材料方面投入了大量資金，F414發(fā)動(dòng)機(jī)的分流排氣密封最初就采用了陶瓷Ox/Ox復(fù)合材料。

航空航天工業(yè)中的自修復(fù)復(fù)合材料

根據(jù)發(fā)表在《聚合物》雜志上的最新文章，自修復(fù)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域越來越受歡迎。復(fù)合材料的劣化是由沖擊載荷引起的。沖擊損傷從微小的空洞開始，發(fā)展為嚴(yán)重的微觀開裂和結(jié)構(gòu)破壞。由于其增強(qiáng)的細(xì)胞遷移性，聚合物及其復(fù)合材料已成為普遍存在的自修復(fù)材料。

利用共靜電紡絲技術(shù)制備了一種具有自修復(fù)核-殼納米纖維界面的多尺度聚碳酸酯復(fù)合材料。在層狀復(fù)合材料中，當(dāng)發(fā)生分層等界面損傷時(shí)，芯殼被設(shè)計(jì)成自愈。在航空航天領(lǐng)域，碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)復(fù)合材料中加入了含有修復(fù)劑的微膠囊，以避免分層斷裂。

自修復(fù)復(fù)合材料通常用作機(jī)身、機(jī)翼、內(nèi)燃機(jī)、葉柵等航空結(jié)構(gòu)中的保護(hù)層或障礙物。碳基體中的硅和硼基晶體成分也被用作自修復(fù)材料。

納米復(fù)合材料在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用

《納米技術(shù)評(píng)論》雜志發(fā)表了一篇關(guān)于納米復(fù)合材料在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用的文章。一種由納米二氧化硅和乙丙橡膠(EPDM)組成的納米復(fù)合材料正被用作一種熱阻物質(zhì)，以保障發(fā)射過程中航天器的結(jié)構(gòu)部件。并進(jìn)行了用納米復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)聚合物基復(fù)合材料在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(SRM)中的應(yīng)用。為了提高SRM材料的隔熱性能，采用熱塑性聚氨酯彈性體納米復(fù)合材料(TPUNs)取代傳統(tǒng)的凱夫拉增強(qiáng)三元乙丙橡膠(EPDM)。

制造基于納米復(fù)合材料的可拉伸傳感器，用于變形飛機(jī)的SHM，以跟蹤航空航天變形系統(tǒng)中的斷裂發(fā)展，是另一個(gè)重要的應(yīng)用。

利用碳納米管增強(qiáng)聚丙烯納米復(fù)合材料，構(gòu)建了受自然影響的微型飛行器的撲翼概念。實(shí)驗(yàn)分析表明，人工構(gòu)造翅膀的原始頻率與蜻蜓翅膀的共振頻率非常相似。

根據(jù)發(fā)表在《聚合物》雜志上的研究，磁性聚合物納米復(fù)合材料也已經(jīng)進(jìn)入了航空航天領(lǐng)域。作為電磁干擾（EMI）屏蔽材料，采用了經(jīng)磁化金屬納米顆粒處理的聚合物基體復(fù)合材料?；诰酆衔锘|(zhì)納米復(fù)合材料并輔以無機(jī)物質(zhì)的涂料和顏料已經(jīng)被開發(fā)出來。

這種方法有幾個(gè)好處，包括經(jīng)濟(jì)的成本，制造的簡單性，以及生產(chǎn)堅(jiān)固和輕質(zhì)材料。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)是確定航空航天部件結(jié)構(gòu)完整性的重要方法。作為航空航天傳感測量儀的可行元素，無機(jī)/有機(jī)復(fù)合壓電材料得到了應(yīng)用。

航空航天復(fù)合材料市場概述

根據(jù)Marketsandmarkets發(fā)布的報(bào)告，2022年全球航空航天復(fù)合材料市場估計(jì)為297億美元，預(yù)計(jì)到2027年將達(dá)到516億美元，從2022年到2027年的復(fù)合年增長率為11.7%。由于航空復(fù)合材料具有卓越的性能特點(diǎn)，可以承受惡劣的條件，因此市場正在擴(kuò)大。此外，全球?qū)?jié)油型飛機(jī)的需求不斷增長，預(yù)計(jì)將在短期內(nèi)推動(dòng)市場擴(kuò)張。

簡而言之，復(fù)合材料是航空航天結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的支柱，世界各地的研究人員都在研究制造新型復(fù)合材料，以確保優(yōu)越的強(qiáng)度和性能。

此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)綜編，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。