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论文1
先进复合材料在未来飞行器中的应用
胡政黄海望
南昌航空大学090321班19号
南昌航空大学090321班21号
摘要:
复合材料在飞行器结构中的用量已经成为航空航天结构的先进性标志之一,其优越的综合性能非常适应未来飞行器的发展趋势。
文章概述了先进复合材料在航空航天结构应用中的主要发展历程,结合未来飞行器的发展趋势,预测了先进复合材料在未来飞行器运用中可能带来的新挑战新机遇。
关键词:
复合材料;未来飞行器;多物理量耦合;大变形;极端环境
0引言
先进复合材料作为一种新型材料已经逐渐成为21世纪的主导材料之一。
航空航天追求卓越性能的特点,使其率先成为先进复合材料技术实验和转化的战场,航空航天工业的发展和需求推动了先进复合材料的发展,而先进复合材料的发展和应用又促进了航空航天的进步,在结构中的用量已成为航空航天结构的先进性标志之一,其优越的综合性能非常适应需要摆脱地心引力飞翔的未来飞行器的发展趋势。
减重是航空航天飞行器结构设计的永恒主题,将先进复合材料运用于飞行器结构可相应减重20%~30%,这是其他先进技术很难达到的效果。
美国NASA的Langley研究中心在航空航天关于先进复合材料发展报告中指出,各种先进技术的应用可以使亚音速运输机获得51%的减重(相对于起飞重量)效益,其中通过复合材料机翼机身和气动剪裁技术减重24.3%,通过发动机系统和热结构设计减重13.1%,通过先进导航与飞行控制系统减重9%,通过气动设计与优化技术减重4.6%,说明先进复合材料的应用减重最明显,已发展成为飞行器结构的基本材料。
1先进复合材料与未来飞行器概况
复合材料(Composites,CompositeMaterials)是指由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料,以微观、细观或宏观等不同的结构尺寸与层次,经过复杂的空间组合而形成的一个材料体系。
而先进复合材(AdvancedCompositesMaterials,ACM)指的是在性能和功能上远远超出其单质组分性能与功能一大类新材料,它们通常都是在不同尺度、不同层次上结构设计、结构优化的结果,融会贯通了各种单质材料发展的最新成果,甚至产生了原单质根本不具备的全新的高性能与新功能,是可以替代金属的结构材料。
先进复合材料按用途可以分为三种:
结构复合材料、功能复合材料和智能复合材料。
目前,结构复合材料占绝大多数,但功能复合材料和智能复合材料有着广阔的发展前途。
结构复合材料主要用作承力和次承力结构,要求质量轻、强度和刚度高,且能耐受一定温度,在某种情况下还要求具有膨胀系数小、绝热性能好或耐介质腐蚀等其他性能。
未来的结构复合材料将向着功能—多功能—机敏—智能复合材料的趋势发展。
未来飞行器的发展趋势必须满足未来战争和未来市场的发展要求,未来战斗机的主要特征包括隐身性、大过载与高机动、高度的智能化水平和自动化程度及在不同飞行状态下具备改变外形的能力等方面。
未来战斗机的发展思路有以下四种:
1目前四代机基础上能力的提高和拓展;2无人战斗机(UCAV);3变体飞机;4空天飞机。
其中,无人战斗机和变体飞机最具发展潜力。
大型客机突出强调安全性、经济性、舒适性和环保性,这些性能上的高要求决定了其对复合材料需求的迫切性和必然性。
2传统复合材料在未来飞行器中的运用
先进复合材料按基体材料可以分为四种:
聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和石墨基复合材料。
其中聚合物基复合材料开发较早,且已形成一定规模的产业,金属基和陶瓷基复合材料虽然尚在研发阶段,但经历了较长时间,领域已较明确。
相对于近年来发展的功能复合材料、智能复合材料和纳米复合材料而言,上述四类可视为先进复合材料中的传统品种,但在未来飞行器的设计中仍然具有广泛的应用前景。
2.1聚合物基复合材料
在战斗机和直升机上,先进聚合物基复合材料不仅是轻质高强的结构材料,经过研究改性后还具有一定的隐身功能,可能实现结构/功能一体化,是未来飞行器追求的目标之一。
先进的CF/PEEK或CF/PPS等复合材料具有极好的宽峰吸收性能,能有效吸收雷达波。
美国F-22超音速飞机的主要结构采用了中等模量的碳纤维增强的特种工程塑料。
幻影III战斗机的减速降落伞盖和弹射的弹射装置也由这种材料制成,已成功地用于飞机的肋条、蒙皮及一些连接件、紧固件等雷达波的吸收件。
战斧式巡航导弹壳体、B-2隐型轰炸机的机身基材(图2(a))和F-117A隐型飞机的局部也采用了碳纤维改性的高分子吸波材料(图2(b))。
在国内,国防科技大学已率先成功研制了碳化硅纤维吸波复合材料。
但是随着各种探测隐身目标的雷达技术的发展,未来飞行器在单一隐身技术下很难生存,因此发展多种隐身技术措施势在必行,多种隐身技术已成为当今军事高技术发展的一个新的焦点,聚合物基复合材料的复合特性必将能为这一新的技术措施提供方法和途径。
在民机市场上,安全性和经济性无论是当前还是在未来的飞行器设计中都是两个极其重要的因素。
当前制约着民机发展的主要障碍是成本较高,先进聚合物基复合材料比传统的航空结构材料通常减重20%~30%,使用和维修成本比金属材料降低15%~25%,无疑大大提高了经济性。
此外,聚合物基复合材料还可用于制造飞机的机敏结构,即通过将光导纤维埋入结构复合材料中,使其具有自诊断性能,使承载结构、传感器和操纵系统合为一体,从而可以探测飞机飞行和部件的完整性,自行调节控制部件,提高飞机的飞行性能,降低维修费用,提高了飞行的安全性。
复合材料的低成本化已成为当今世界上复合材料技术发展研究的核心问题。
2.2金属基、陶瓷基和石墨基复合材料
高速飞行也是未来飞行器发展的一个重要方面,要实现高速飞行,就要求未来飞行器的机体结构必须具有高的力学性能和耐高温性能,特别对于需要反复飞越和再入大气层的航天飞行器。
为了弥补聚合物基复合材料的耐高温性较差(一般不能超过300度)和在高真空条件下容易释放小分子而污染周围的器件及不能满足材料的导电和导热等需要,先后发展了新一代热强复合材料:
金属基、陶瓷基和石墨基复合材料。
金属基复合材料还未形成大规模的产业,但仍然具有很大的发展前景,目前主要有颗粒增强铝基复合材料、晶须增强铝复合材料和纤维增强钛合金及其金属间化合物基复合材料。
对于第六代航空发动机而言,必须保证推/重比达到20:
1,如制造喷气发动机风扇叶片等高温结构件,目前使用碳芯碳化硅连续纤维(CSC型)增强钛及钛-铝金属间化合物已进入实用阶段。
未来发动机的低压压气机叶片和静子叶片、整体叶环和机匣及涡轮轴都将采用金属基复合材料制造,使用SiC/IMI834复合材料制造的整体叶环如图3所示。
陶瓷基和石墨基复合材料都属于无机非金属基复合材料,尽管这些材料目前产量尚不大,但陶瓷基和石墨基复合材料是耐高温及高力学性能的首选材料。
碳化硅晶须补强氮化硅复合材料可制作应用于温度约为1350度的喷气涡轮发动机转子和定子叶片。
而碳化硅纤维补强碳化硅复合材料则是作为高温热交换器、燃气轮机的燃烧室材料和航天飞行器的防热材料的理想选择。
石墨基复合材料是耐温最高的材料,其强度随着温度升高而增加,在温度约为2500度达到最大值,同时具有良好的抗腐蚀性能和抗热震性能,应用于导弹头部的再入热防护、固体发动机喷管和飞机刹车片等,由于石墨基复合材料不能在氧化性气氛下耐受高温,因此它的抗氧化措施是当前研究重点,近年来,美、俄、法等国家又开发了许多混杂其它材料的新型碳/碳材料,以满足不同的特殊使用要求,它是未来飞行器实现高超音速飞行的材料。
2.3传统复合材料的新发展
复合材料本身既是材料又是一种结构,通过多种技术融合的工艺技术,可进一步发掘复合材料的潜力。
典型的例子是聚合物基复合材料领域的预制体编织技术、缝纫技术、针织技术、Z-pining技术、平面(二维)和立体(三维)的成型技术等。
通过充分利用和借鉴纺织领域的技术以及液态成型技术,产生了一大批新的低成本、高性能的复合材料。
可以认为,以单向纤维铺层为特征的复合材料层板的研究正走向以编、缝、纺织技术为特征的研究之中,且其低成本和高性能特性也必将成为未来飞行器设计中必选的材料。
三维六向编织复合材料在飞机风挡龙骨梁中的应用如图4所示,与传统的金属龙骨梁相比,该结构具有更加优越的抗鸟撞能力和更轻的结构重量。
3新型复合材料在未来飞行器中的运用
未来飞行器的发展不断追求高效能、低成本、长寿命、高可靠,对其材料与结构的综合要求越来越高。
为适应此应用需求,一些新型复合材料应运而生,在现有材料性能基础上继续挖掘先进复合材料潜力,如功能复合材料、智能复合材料和纳米复合材料以及超轻材料与结构技术相结合等。
3.1功能复合材料和智能复合材料
功能复合材料是指除力学性能以外还提供其他物理性能并包括部分化学和生物性能的复合材料,具有设计自由度大的优势和极广泛的应用领域,按照功能-多功能-机敏-智能的形式逐步发展。
由功能发展到多功能是复合材料独有的特点,因为其既是功能材料又是结构材料,正如隐形飞机蒙皮就是集隐身和结构于一体的复合材料。
多功能复合材料的发展速度极快,材料种类也不断增多,材料的功能性也不断增强,从而为未来飞行器设计提供了强而有力的基础。
智能复合材料与结构不仅能够承受载荷,还能感知所处的内外部环境变化,并能通过改变其物理性能或形状等做出响应,借此实现自诊断、自适应、自修复等功能,具有广阔的应用前景。
将多系统所需的感知元件和驱动元件、信号处理及识别单元融合在飞机表层材料中,使飞机具有通信、隐身、电子对抗、火控等功能是有效缩减未来飞行器体积和质量的途径,而这正是智能复合材料与结研究的一大分支-智能表皮。
用智能结构制成的自适应机翼,能实时感知外界环境的变化,并能驱动机翼弯曲、扭转,从而改变翼型和攻角,以获得最佳气动特性,降低机翼阻力系数,延长机翼的疲劳寿命。
美国的一项研究表明,在机翼结构中使用磁致伸缩制动器,可使机翼阻力降低85%。
美国波音公司和麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌入智能纤维,电致时可使桨叶扭转变形达几度。
变体飞机作为未来飞行器的一个重要发展方向,其机翼需要在不同飞行状态下均具有优良的性能,因此其机翼结构应具有自适应性。
机翼的蒙皮材料和结构驱动技术是决定变体飞机的关键技术,通过形状记忆合金复合材料可直接导致飞行器结构形状的改变,大大减轻飞行器重量和提高气动弹性变形特性。
而对于未来飞行器另外一个重要发展方向——无人机来说,智能复合材料与自适应结构融合可为无人机大展弦比高升阻比机翼提供气动特性和颤振主动控制以及柔性机翼的主动控制技术提供发展空间。
3.2纳米复合材料
纳米材料是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学,被誉为21世纪最有前途的材料。
它是指尺度为1~100nm的超微粒经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体。
纳米复合材料(nano-composites)是由两种或两种以上的固相至少在一维以纳米级大小(1~100nm)复合而成的复合材料。
纳米复合材料包括纳米颗粒增强复合材料、纳米片层增强复合材料、纳米纤维增强复合材料和碳纳米管增强复合材料等。
它已经成为先进复合材料技术的一个新增长点,也是先进复合材料技术研究最活跃的前沿领域之一。
由于纳米分散相有大的表面积和强的界面相互作用,纳米复合材料表现出不同于一般宏观复合材料的力学、热学、电学、磁学和光学性能,还可以具有原组分不具备的特殊性能和功能,表现出超常特性,如图5所示。
对于飞行器上使用的结构材料来说,与传统的金属材料相比,采用碳纤维增强聚合物、金属基复合材料及金属间化合物能够使质量减少50%,而碳纳米管增强聚合(和金属)可使质量减少80%,在未来飞行器设计领域中具有重要的意义。
3.3超轻材料与结构
随着航空航天器结构的不断发展,未来飞行器独特的环境和性能要求对结构设计提出了新的要求:
结构超轻型化、构型设计最佳化和结构多功能化,因此,寻求一种将高效和功能化集于一身的结构形式必将成为未来飞行器的主要趋势之一,先进复合材料格栅增强结构和点阵复合材料夹层结构是当前国际上认为最有前景的新一代先进轻质超强韧材料,已经开始应用于航天结构。
(1)先进复合材料格栅增强结构(AdvancedCompositeGridStructure,AGS)上世纪90年代,Stanford大学提出了以纤维增强复合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer,CFRP)为加强肋的各向异性格栅增强结构来代替传统铝合金为加强肋的各向同性格栅增强结构的想法。
该结构主要由加筋格栅和被支撑的壳体组成,筋可以布置在壳体的一侧或两侧。
由于这种新型的结构表现出更多潜在的优越性能(比如,具有高的极限载荷和损伤容限),与已有的铝合金格栅结构相比,具有更高的结构比强度和比模量,同时增强了结构的抗腐蚀能力,且能够利用自动化制造方法降低成本,尤其是提高了结构设计与制造的灵活性。
先进复合材料格栅增强结构技术已经逐步应用于飞机、导弹、卫星和运载火箭结构上,在航天器燃料储箱、机身等大型复杂部件上具有广阔的应用前景。
具体应用对象包括级间段、内压容器、有效载荷适配器、运载飞船整流罩、直升机垂尾梁、空间望远镜镜身以及建筑结构等,特别是在商用飞机上的应用,空客公司、波音公司以及我国的ARJ21机身结构上都使用了复合材料格栅增强结构。
美国空军实验室成功设计、制造了以CFRP为加强肋的AGS整流罩,质量仅37kg,相比同类型铝合金防护罩质量降低了60%,运用纤维缠绕技术实现了自动化生产,工艺周期缩短88%,比同类型蜂窝夹层结构制的造复合材料整流罩减重40%,成本降低20%,如图6所示。
(2)点阵复合材料夹层结构本世纪初,西方材料学界提出了一种空间点阵材料(结构),这类新的材料(结构)类似于现有的空间网架,只是尺寸小得多,如图7所示。
首先,点陈材料可能具有的优越性能——高比强度、高比刚度、多功能性等越来越受到材料学界的重视。
点阵复合材料为结构进一步轻量化与材料/结构/功能一体化设计及实现提供了更广阔的发展空间和可能性。
在国内,范华林等对这种新型的点阵结构及制备工艺做了大量的研究,研究表明点阵夹层结构具备整体成型且不发生层间脱胶破坏等优点。
其次,点阵材料特殊的结构形式(如开口设计方案)为热控元件的埋设提供了方便且无需在结构中开槽挖洞,保持了结构材料的完整性和承载性能,同时该方案大大降低了埋设工艺难度。
另外,点阵材料自身也是优良的紧凑热交换器,可以部分或全部取代热控元件,实现散热功能,可为未来飞行器高超音速飞行的热控设计提供一条新的途径。
4.结束语
未来飞行器的先进性标志之一是结构的先进性,而先进复合材料是实现结构先进性的重要物质基础和先导技术。
先进复合材料在推动未来飞行器发展的同时,飞行器的更新换代也是推动着先进复合材料技术前进的动力。
当前,飞行器上采用复合材料结构主要目的是减轻机体结构重量和改善气动弹性和隐身性能等,但是随着未来飞行器的发展需求不断提升,将会给先进复合材料带来许多新的挑战和机遇。
结合上述传统和新型先进复合材料在未来飞行器的运用,在未来复合材料结构设计中将可能会出现诸多挑战,例如未来飞行器必须应对在各种飞行情况中多物理量(热-力-磁等)耦合作用对复合材料结构响应特性问题,这必然导致新的理论和方法的产生;而具有变体特性飞行器则要求具有大变形下的复合材料结构设计理论与分析方法来解决;未来战场中飞行器必须满足在极端环境(高温、高速和高压等)飞行,而这也需要有新的复合材料结构力学的行为分析理论给予支持。
代表着最高端科学结晶的未来飞行器与先进复合材料科学技术的发展,必然推动整个航空航天工业乃至全人类的科学技术的进步。
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