聚合物及复合材料

全球两大航空巨头欧洲空客(Airbus)和美国波音(Boeing)都在其飞机中开始大量采用复合材料。号称目前全球最先进、最宽敞和最环
 全球两大航空巨头欧洲空客(Airbus)和美国波音(Boeing)都在其飞机中开始大量采用复合材料。号称目前全球“最先进、最宽敞和最环保”的空客公司的空中巨无霸A380客机除体积庞大外,还创造了其他许多新的纪录,尤其是大量轻型复合材料的应用。巨无霸A380在复合材料的应用上取得多项重大技术突破。A380约25%由复合材料制造,其中22%由各种不同的增强型塑料复合材料制成,大部分是Hexcel公司和Cytec公司提供的碳纤维增强环氧树脂(CFRP)。其中,减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、後密封隔框、後压力舱、後机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。

 特别值得一提的是,A380首次在连接机翼与机身的非常重要的主体结构—中央翼盒采用了复合材料。该翼盒采用CFRP,A380中央翼盒重8.8吨,其中5.3吨是复合材料。由於采用了CFRP使翼盒比采用目前最先进的铝合金材料减轻了1.5吨。最新一代碳纤维复合材料除比传统材料重量更轻外,还在使用可靠性、可维护性和易修理性上具有明显的优势,如CFRP在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。此外,A380还首次在後压力舱後部的後机身采用了复合材料。

 另外3%的复合材料为首次用於民用飞机的GLARE纤维金属板,主要用於机身上部外壳和尾翼的主边缘。GLARE是一种铝材和玻璃纤维交替粘合的层制材料,除密度比铝小10%(重量上轻800千克)外,还被证实在抗疲劳和防火、抗损伤方面性能更出众。
 从1985年制造A310飞机开始,空客公司对在飞机的主要结构采用复合材料已有20多年的经验。与空客一样,波音对复合材料的应用也在逐步增长,到20世纪90年代,B777上的复合材料重量已占到20%,其中水平尾翼就是一个大型的复合材料构件。

 波音最大胆的尝试是号称“梦幻飞机”的B787,复合材料用量占结构重量的50%,机身、机翼等主承力构件都采用复合材料。曾有报道这样形容B787:“787的结构就是一个庞大的巨分子,所有部件都是通过碳纤增强的交联化学键连接在一起。”其复合材料由世界最大的碳纤生产商TorayIndustries公司提供。复合材料机身的优异强度使客舱内出现更高的耐压力,使客舱内温度、湿度和通风更易控制,增加乘坐舒适度。

 由於看到复合材料的优越性能,空中客车也表示,将把继A380之後的下一代商用飞机A350XWB的复合材料用量由最初的37%提高到52%。复合材料为何如此受飞机设计师们的青睐呢?
 减重、性能、成本是飞机选材的三大考虑因素,而复合材料正是这三方面综合权衡下的理想材料。密度低、强度高,比强度(强度与密度之比)大是复合材料的先天优点,因此减重的优势不言而喻。性能方面,首要考虑的是保证飞机的安全性,复合材料比强度高、比刚度大、可设计性强及良好的抗疲劳损伤性能和耐腐蚀性能,这些都有利於提升飞机的安全性。先进复合材料发展应用的30多年来,其在各种民机上的应用日益增多,但从未因此引发飞行事故,无疑增加了应用复合材料的信心和安全置信度。
 成本方面,复合材料本身的价格并不低,不过由於更容易制成整体结构件,减少零部件和连接件的使用,进一步减少燃油费用,同时还可降低使用维护要求和成本等,波音公司称,由於复合材料的应用,B787较B767降低成本30%。

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