航空復(fù)合材料學(xué)科發(fā)展研究

蔚鳳生

摘 要：航空復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高比剛度、疲勞性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)等航空裝備中得到了十分廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空復(fù)合材料制造技術(shù)逐步朝著整體化、自動(dòng)化、低成本化的方向發(fā)展，復(fù)合材料用量也逐漸成為衡量客機(jī)先進(jìn)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要指標(biāo)，因此，促進(jìn)航空復(fù)合材料學(xué)科的發(fā)展具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：航空復(fù)合材料；設(shè)計(jì)制造；發(fā)展趨勢(shì)

航空復(fù)合材料問世于20世紀(jì)60年代，并逐步得到廣泛的使用。航天科技的不斷發(fā)展促使飛行器不斷朝著高空化、高速化、智能化以及低成本化的方向發(fā)展，作為航空航天四大材料之一的航空復(fù)合材料，其制造技術(shù)以及材料性能也在不斷發(fā)展與突破。我國(guó)對(duì)航空復(fù)合材料進(jìn)行研究的時(shí)間比較晚，在復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制造方面存在不足，生產(chǎn)出的復(fù)合材料產(chǎn)品種類較少，綜合性能不佳，因此，還需要付出巨大的努力才能提升設(shè)計(jì)與制造水平。

1 材料學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 高性能航空復(fù)合材料體系

高性能航空復(fù)合材料的重量比較輕，強(qiáng)度比較高，剛性較大，還耐磨損，便于設(shè)計(jì)，非常符合航空飛行器的質(zhì)量要求，所以在如今的飛行器市場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用。高性能航空復(fù)合材料體系在物理特性上的各項(xiàng)異性以及聲衰減劇烈等使得它在質(zhì)量上和其他的金屬材料表現(xiàn)出明顯的不同，對(duì)高性能航空復(fù)合材料體系進(jìn)行內(nèi)部的質(zhì)量控制也已經(jīng)變成當(dāng)下的熱點(diǎn)問題。

1.2 大型航空復(fù)合材料構(gòu)件檢測(cè)技術(shù)

大型航空復(fù)合材料構(gòu)件制造完成后，要進(jìn)行無損檢測(cè)（英文簡(jiǎn)稱為NDT），這是利用非破壞性的方法，通過聲、光、電、熱、磁和射線等原理來檢測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，杜絕裂紋、斷裂、空隙、分層等可能造成航空飛行器出現(xiàn)故障的缺陷。現(xiàn)階段，大型航空復(fù)合材料的構(gòu)件檢測(cè)技術(shù)主要有微波結(jié)構(gòu)檢測(cè)等。微波結(jié)構(gòu)檢測(cè)是利用高頻的電磁波來進(jìn)行的，微波的波長(zhǎng)比較短，一般在1到1000毫米之間；頻率比較高，一般在300兆赫茲到300吉赫茲；頻帶還比較寬。因此，微波在航空復(fù)合材料的構(gòu)件檢測(cè)過程中具有很強(qiáng)的穿透力，而且衰減較小，能夠彌補(bǔ)其他檢測(cè)手段的缺陷。例如超聲波在航空復(fù)合材料中衰減劇烈，很難檢測(cè)到構(gòu)件內(nèi)比較深的部位，而射線檢測(cè)對(duì)于復(fù)合材料的表面控制靈敏度較小。微波檢測(cè)方法能夠有效檢測(cè)到航空復(fù)合材料構(gòu)件中出現(xiàn)孔洞、疏松、基體開裂、分層和脫粘等缺陷。

1.3 航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

為了增強(qiáng)航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能，日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)已經(jīng)為研發(fā)各種先進(jìn)的成像設(shè)計(jì)方式、信號(hào)處理方式和分析計(jì)算設(shè)計(jì)的方式投入了大量的人力和財(cái)力。我國(guó)的相關(guān)研究部門也已經(jīng)在航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用上得到了一定的進(jìn)展。比如北京航空制造工程研究所通過采用超聲波自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法，為經(jīng)典的航空復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用圖像直接展示航空復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部的位置以及整體構(gòu)件的內(nèi)部質(zhì)量狀況，從而獲得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的定量分布狀況，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化設(shè)計(jì)。目前航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天科技，并不斷使飛行器朝著高空化、高速化、智能化以及低成本化的方向發(fā)展。我國(guó)對(duì)航空復(fù)合材料進(jìn)行研究的時(shí)間比較晚，在復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面存在不足，所以，還需要付出巨大的努力才能提升設(shè)計(jì)與應(yīng)用水平。

2 國(guó)內(nèi)外航空復(fù)合材料學(xué)科的發(fā)展對(duì)比

我國(guó)的航空復(fù)合材料學(xué)科發(fā)展與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比還是存在一定的差距。比如我國(guó)的楊氏模量、中模纖維以及高模纖維等大絲束產(chǎn)品。楊氏模量超過350吉帕。大絲束產(chǎn)品是航空復(fù)合材料產(chǎn)品多元化的一個(gè)重要方面，主要目的是加快纖維鋪放速率，從而提高復(fù)合材料生產(chǎn)效率，降低制造成本。這方面的研究?jī)?nèi)容主要是制取廉價(jià)原絲技術(shù)包括大絲束化、化學(xué)改性、用其他纖維材料取代聚丙烯腈纖維、等離子預(yù)氧化技術(shù)、微波碳化和石墨化技術(shù)等。而美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的碳纖維按用途大致可分24K以下的宇航級(jí)小絲束碳纖維和48K以上的工業(yè)級(jí)大絲束碳纖維。目前小絲束碳纖維基本為日本、東邦與三菱人造絲所壟斷。而大絲束碳纖維主要生產(chǎn)國(guó)是美國(guó)、德國(guó)與日本，產(chǎn)量大約是小絲束碳纖維的33%左右，最大支數(shù)發(fā)展到480K。綜上所述，我國(guó)還是需要投入更大的精力來不斷提升自己的科技水平，進(jìn)而發(fā)展我國(guó)的航空復(fù)合材料學(xué)科，爭(zhēng)取早日達(dá)到世界先進(jìn)水平。

3 航空復(fù)合材料學(xué)科的發(fā)展與對(duì)策

現(xiàn)階段，我國(guó)的自動(dòng)化的航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造比人工方法能夠給予更高的重復(fù)性和結(jié)果的可靠性，可以降低隨機(jī)誤差和人為誤差的幾率，減小對(duì)于學(xué)科人員的技術(shù)熟練要求，還可以做到全面復(fù)雜的結(jié)構(gòu)制造程度，及時(shí)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)而在很大程度上提高復(fù)合材料的質(zhì)量。比如哈佛大學(xué)研究出的BVT復(fù)合材料是擁有更高的可靠性和更好的適應(yīng)性的自動(dòng)化航空復(fù)合材料，能夠在航空復(fù)合材料構(gòu)件的數(shù)據(jù)圖上清晰的顯示出材料數(shù)據(jù)，而且操作人員還能夠在構(gòu)建結(jié)構(gòu)終端分析這些數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)，進(jìn)而提高航空復(fù)合材料的質(zhì)量。英國(guó)的艾爾布申大學(xué)已經(jīng)研究出把134通道的微波自動(dòng)化航空復(fù)合材料制造技術(shù)應(yīng)用在航空復(fù)合材料構(gòu)件的快速制造方面，很大程度上提升了速度和質(zhì)量。深圳航空大學(xué)還成功研發(fā)了用來進(jìn)行專項(xiàng)制造航空復(fù)合材料構(gòu)件微波自動(dòng)化制造系統(tǒng)，比如應(yīng)用在平面復(fù)合材料構(gòu)件中的微波自動(dòng)化制造系統(tǒng)，通過微波反射方法，一小時(shí)能夠制造的面積為15平方米，信噪比很高，能夠達(dá)到航空復(fù)合材料構(gòu)件的A、C、T質(zhì)量要求；應(yīng)用在非平面航空復(fù)合材料構(gòu)件中的微波自動(dòng)化制造系統(tǒng)，通過微波穿透反射方法，一小時(shí)能夠制造的面積為40平方米，同時(shí)制造的效率很高，可以達(dá)到航空復(fù)合材料構(gòu)件的B、C、T質(zhì)量要求。不管應(yīng)用什么航空復(fù)合材料制造的技術(shù)，每種技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)，但是，與此同時(shí)也有其劣勢(shì)，不管什么技術(shù)都不可能十全十美。為了更精確地保證航空復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)部質(zhì)量和性能，我們必須不斷提高航空復(fù)合材料學(xué)科的水平。

4 結(jié)束語

隨著復(fù)合材料在航空飛行器構(gòu)件上的應(yīng)用不斷增加，能夠適應(yīng)這種復(fù)合材料的制造技術(shù)也越來越先進(jìn)，并且其應(yīng)用越來越廣泛。同時(shí)，航空復(fù)合材料的制造技術(shù)水平和材料的質(zhì)量也在不斷提高。我國(guó)目前的航空復(fù)合材料學(xué)科水平還是處于比較低的狀態(tài)，針對(duì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制造等各方面的缺陷，我們必須付出更大的精力來發(fā)展和研究。

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