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航空材料技术的进展与发展趋势
作者:中国航空工业发展研究中心 陈亚莉 益小苏
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航空与航天设备展厅
直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ...
航空材料泛指用于制造航空飞行器的材料。一架军用飞机包括机体、发动机、几载电子和火力控制四大部分,一架民用客机包括机体、发动机、机载电子和机舱四大部分。机体材料和发动机材料是航空材料中最重耍的结构材料,而电子信息材料是航空机载装置中最重要的功能性材料,但它一般不直接算作航空材料。出于航室飞行及其安全性的考虑,航空结构材料的特点是轻质、高强、高可靠。飞行器作白一个整体,还用到少量非结构性材料,如阻尼、减振、降噪、密封材料等。

在现代材料科学与技术的发展历程中,航空材料一直扮演着先导和基础作用,几体材料的进步不仅推动飞行器本身的发展,而且带动了地面交通工具及空间飞行器的进步,发动机材料的发展则推动着动力产业和能源行业的推陈出新。"一代材料,一代飞行器"是航空工业发展的生动写照,也是航空材料带动相关领域发展的真实描述。可以说,航空材料反映结构材料发展的前沿,航空材料代表了一个国家结构材料技术的最高水平。

航空材料的研究与发展

1.机体材料

机体材料主要包括铝合金、钛合金和树脂基复合材料等,发展重点集中在低成本、高性能的树脂基复合材料技术。图1是欧洲空中客车飞机的主要用材示例,其中最显著的先进材料包括铝合金-玻璃纤维混杂复合材料GLARE,碳纤维复合材料GFRP,芳纶纤维复合材料AFRP,玻璃纤维复合材料GFRP以及韧性环氧树脂、双马来醚亚胺树脂和聚酚亚胺树脂基复合材料等,它们覆盖了航空飞行器机体的主要面积。

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图1 欧洲空中客车飞机的主要用材

国际上航空先进树脂基复合材料的主要性能要求是,较高的耐温度使用性、尽可能高的抗损伤容限和尽可能低的湿热环境效应。就民用飞机上用量最大的碳纤维环氧树脂复合材料而言,近年的趋势是发展液态成型纺织复合材料和非热压罐成型技术如电子束辐照交联技术等,即"用得起"的制造技术(Affordable Proccessing))。而对更高的温度要求,双马来酚亚胺、特别是可以液态成型的聚酚亚胺树脂基复合材料(如PETI系列)的前景看好。

由于制造成本在复合材料构件总成本中所占份额最大,因此低成本成型制造工艺技术是目前发展的重点,主要包括纺织复合材料和树脂传递模塑(RTM或近似的RFI)液态成型技术等。通过编织、经编、针织、机织、缝纫等制造顶成型体,以及液态成型如树脂浸渗(RI)和树脂转移模塑(RTM,使整体制造的成本降低,层间增强,并达到减重目标(图2)。

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图2 各种纺织结构复合材料技术

其中,RTM技术在美国军用战斗机F-35垂尾及F/A18-E/F襟翼整流罩上的应用是使用该项技术制造的最大尺寸的零部件,前者长3.6m,重约90kg。我国在液态成型复合材料技术正在取得进展,图3为北京航空材料研究院制备的中机身液态成型树脂基复合材料剪切梁。

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图3 北京航空材料研究院制备的中机身液态成型树脂基复合材料剪切梁

为了进一步迎接先进复合材料更高性能-价格比的挑战,欧洲空中客车公司提出的目标是更多地应用碳纤维复合材料CFRP以减重至30%,从而降低整个飞行成本40%。但是,CFRP技术在减重的同时,制造成本比金属焊接结构高。应用目前空中客车公司已储备的技术水平,可以达到减重15%、降低成本15%的目标;而采用新型金属焊接结构制作机身,减重10%却降低成本20%,可见在发展低成本、高性能复合材料方面还大有潜力。图4是空中客车公司正在研制的全碳纤维复合材料机翼的静力实验。美国也有"高速民航机研究计划",其中心任务是开发聚醚亚胺复合材料和钛/石墨纤维混杂复合材料等。

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图4 空中客车公司正在研制的全碳纤维复合材料机翼的静力实验

各国都非常重视扩展先进复合材料应用的技术平台建设。目前,美国正在执行"汽车复合材料技术向航空转移计划"和"复合材料用得起计划"。

2.发动机材料

目前最先进的军用航空发动机主要材料有钛合金、高温合金以及各类高温和超高温复合材料等。在21世纪前10年的叶片材料中,单晶叶片材料仍占主导地位。叶片材料经历了铸造合金、定向凝固合金和单晶合金的发展历程,国外现役发动机叶片材料主要采用第二代和第三代单晶合金。这些单晶合金由于富铼易产生脆性相,近年来研究加入钌或铱以减少脆性倾向,开发出第四代单晶。叶片技术发展的趋势是将结构一材料-工艺统一考虑,即开发lamiloy技术,采用铸造及激光打孔工艺直按制造发散冷却孔道。

除提高叶片材料的耐温等级外,将金属间化合物与韧性金属组成的微叠层复合材料作为叶片的"热障涂层"受到重视。该技术依靠耐高温金属间化合物提供高温强度和蠕变抗力,利用高温金属作韧化元素,从而很好地克服了金属间化合物的脆性。目前采用真空热压箔、物理气相沉积、铸造和固态反应等方法已研制出几种微米层次的微叠层复合材料,包括Nb-Cr2Nb、NB-Nb5Si3以及Nb-MoSi2等。微叠层纳米热障涂层可望将叶片的耐温能力提高260℃。除用于叶片外,微叠层复合材料在无疲劳合金涂层、抗砂蚀树脂基复合材料风扇叶片涂层等方面也有应用机遇。

我国发动机叶片材料发展态势良好,仅铸造涡轮叶片材料就超过20种,并开展了单晶镍基高温合金、金属间化合物、陶瓷和C/C复合材料的研制。我国低密变、低成本的第一代单晶合金DD3性能与国外同代合金相当,已用于直升机小发动凯涡轮叶片;第二代单晶高温合金DD6正在推广应用于先进的涡轮发动机叶片,其承温能力相当于国外同代合金,而成本更低。就涡轮盘材料而论,除广泛使用的粉末盘及其发展型的双性能粉末盘、三性指粉末盘外,细晶变形盘由于成本低也被看好。俄罗斯就坚恃认为采用传统熔铸变形盘,完全可满足第四、五代发动机的需要。作为一种新的涡轮盘方案,近年丕开发了无夹杂的喷射盘。该技术与粉末冶金工艺相比具有工序简化、成本降低的优势,其快凝组织特性又奠定了其性能优势,包括远优于铸锻工艺、相当或高F粉末冶金工艺的强度与持久寿命,优于粉末冶金工艺的塑性、韧性及低周疲劳寿命,因晶粒细化而改善的热加工性能等。由于传统变形盘的工艺设备均能使蔼用,且材料利用率高,成本明显低于粉末盘,因此,喷射盘有可能成为粉末盘的强劲对手。

航空材料发展趋势

航空材料的发展趋势是种类增多,成本降低,性能提高。具体体现为:传统材料大有可为,新型材料亟待应用,新兴材料层出不穷;材料的通用化、标准化势在必行,可靠性、可维修性、低成本和环保性要求日趋严格。

1.传统材料大有可为

传统航空材料凝结了大量的研究成果,也积累了可贡的使用经验,轻易放弃这些传统材料划不来。正如美国"先进民用飞机新材料专业委员会"、"国家材料咨询局"、"航空航天工程局"、"工程和技术系统专业委员会"和"国家研究委员会"等五大单位在《用于下一代民用运输机的新材料》的联合研究报告中所指出的,即"目前影响民航业、制造商和材料工业的动荡不定的经济气候,己经使先进材料的应用准则发生了重大的变化,从而使材料性能不再是选材的首要标准。飞机制造商对民航业降低总成本(包括采购和维修成本)的耍求也正在做出反应,要求材料的变化方式是逐步改善,即渐进演化式的,而不是革命性的"。

这种渐进演化式发展反映为,在复合材料改进、传统金属材料超纯熔炼,以及铸、锻件的研制、试验和生产过程中,抛弃了试凑的传统方法,代之以材料性能和产品制造一体化的可设计和可预测的全新概念,广泛引人仿真及人工智能技术,特别是在制蚤制造技术方面不断取得进展和开拓创新。这种高技术含量、高附加值的航空材料的发展以信息技术、自动化技术和先进制造技术的高速发展为依托,将对航空材料的发展产生着深远的影响。

2.新型材料亟待应用

冷战时期的积累和长期的超前研究储备了相当数量的新材料,但它们至今仍在候选名单上等待应用,典型例子有高性能的双马来醚亚胺树脂基复合材料、热塑性树脂基复合材料和各种金属基复合材料等。暂时不应用这些材料的原因很复杂,其中之一是新材料过高的成本-效益比,包括采购、制造、取证和全寿命等。对先进的高性能复合材料及其结构而言,至今仍对其基本的失效机理及其相互间的作用缺乏深刻而本质的认识,因此,工业界出于技术和安全风险的考虑,缺乏了解先进材料的热情,也没有使用先进材料的经验,更没有等待先进材料发展成熟的耐心。世界范围内的激烈竞争使材料主管部门很难为中长期的发展计划做出长期的财务承诺,结果是很难建立起精干而专业性的材料研究、发展和供应基地。

3.新兴材料层出不穷

新技术特别是纳米技术为航空材料的发展开拓了新的思路,人们充满热情地研究由片状纳米黏土改性的环氧树脂、双马来醚亚胺树脂和聚醚亚胺树脂,研究纳米改性的铝合金,期望在性能上获得显著提高。英、德等国对由碳纳米管增强的树脂基复合材料开展了许多研究工作,结果表明,无论力学性能还是电磁性能均有改进。纳米技术的发展还有力地带动了航空材料的发展,如雷达罩纳米防雨涂层以及隐身材料的纳米化等。

4.材料标准化、通用化势在必行

随着国际经济的一体化,航空材料在国际材料市场上的流通以标准化、通用化为前提。目前,国际航空材料的发展趋势是在国内取消军用标准,而代之以军民两用标准。在国际范围内实施国际化标准,有利于国际合作与交流及市场开拓,如俄罗斯在铝锂合金和钦合金的出口问题上,以往因未与国际标准接轨,使上述材料出口受阻。为扩大出口,俄罗斯己逐步改用国际标准。中国已经进人WTO,但我国航空材料的体系建设以及航空材料的通用化、标准化现状却很落后。原因主要在于我国航空材料多是在跟踪和引进的基础上发展而来,形成了各国航空材料在我国并存的混乱局面。国防工业科学技术委员会和中国航空工业正着手开展中国航空材料体系的建设工作,这将为我国航空材料的健康发展创造更好的发展前提。

5.低成本和可维修性成为趋势

航空材料的高技术特征必然带来高成本。目前环氧树脂的价格大约是每磅7美元,钛为每磅10美元,先进复合材料为每磅60美元。降低航空产品采购成本的主要途径是改变设计概念、采用低成本材料和成形加工技术等,降低航空产品使用成本或全寿本成本的主耍途径是提高材料的可靠性和寿命。航空产品在选材时不仅要考虑使用性能,而且还必须考虑可维修性。如果航空产品的全寿命成本及维修费用为采购成本的两倍时,就需重新考虑选材问题,发展高可靠性、维修性能好的航空材料,以延长结构使命寿命和简化维修越来越受到重视。

发展我国航空材料的建议

我国航空材料工业存在的主要问题可以总结为"五多五少"∶仿制材料多而创斤材料少,低水乎材料多而高水乎材料少,立项研制的材料多而改进改型的材料少,获奖励的材料多而真正用上的材料少,和单一用途的材料多而一材多用的材料少。此外,部门之间的协调机制也不够健全,低水乎重复、各自为政和无序竞争严重困扰着我国航空材料科研和生产的健康发展。根据"有限目标,突出重点"的原则,我国航空材料界对关键技术的筛选进辆〔深人讨论,普遍认同的三大关键技术是复合材料技术、涡轮盘材料技术和涡轮叫≠材料技术。目前正在实施的科技发展汁划将针对这些问题,集中力量攻关,以开创我国航空材料发展的崭新局面。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (4/6/2007)
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佳工网友 武晶晶 (Email) 于11/17/2009 1:13:00 PM评论说:
航空材料面临的问题是可大面积推广使用的高性能材料过于贫乏(电话:15084896341)


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