portant; overflow-wrap: break-word !important;">作為一項新興的材料技術(shù),復(fù)合材料先在軍用飛機上得到廣泛應(yīng)用。
portant; overflow-wrap: break-word !important;">60 年代,玻璃纖維增強復(fù)合材料先開始應(yīng)用于飛機的整流罩、襟副翼中。此時,復(fù)合材料力學(xué)性能還相對較低,應(yīng)用復(fù)合材料制造的飛機零部件尺寸小、受力水平小。
portant; overflow-wrap: break-word !important;">60 年代后期,硼纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料開始應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)上。例如,F(xiàn)-14 于1971 年開始將硼纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料應(yīng)用在平尾上。
portant; overflow-wrap: break-word !important;">70 年代中期,誕生了以碳纖維為增強體的高性能復(fù)合材料,開啟了復(fù)合材料在飛機上的大規(guī)模應(yīng)用。具有卓越高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞性能的碳纖維增強復(fù)合材料非常適合航空裝備需求。軍機的垂尾、平尾等受力較大、尺寸較大的部件開始逐步使用碳纖維增強復(fù)合材料,如 F-15、F-16、Mig-29、幻影 2000、F/A-18 等飛機的復(fù)合材料尾翼、垂尾。從 70 年代至今,國外軍機尾翼已經(jīng)全部采用復(fù)合材料。采用復(fù)合材料的平尾、垂尾一般占飛機全部結(jié)構(gòu)重量的 5%-7%。
portant; overflow-wrap: break-word !important;">在尾翼進入復(fù)合材料時代后,復(fù)合材料的應(yīng)用開始向軍機的機翼、機身等結(jié)構(gòu)受力大、尺寸大的主要構(gòu)件發(fā)展。1976 年,麥道公司率先研制了 F/A-18 復(fù)合材料機翼,并于 1982 年正式進入服役,把復(fù)合材料用量提高到 13%。此后各國所研制的軍機的機翼也幾乎全部采用了復(fù)合材料。例如美國的 AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35、法國的“陣風(fēng)”、瑞典的 JAS-39、歐洲四國聯(lián)合研制的“臺風(fēng)”,俄羅斯的 S-37 等。
portant; overflow-wrap: break-word !important;">目前先進軍機中復(fù)合材料用量占全機結(jié)構(gòu)重量的 20%-50%不等,主要應(yīng)用復(fù)合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、機翼、中前機身等。如果復(fù)合材料占飛機總重量的 50%左右,則全機絕大部分結(jié)構(gòu)件由復(fù)合材料制成,如 B-2 隱形轟炸機。
portant; overflow-wrap: break-word !important;">2020 年航天領(lǐng)域的碳纖維需求量占航空航天領(lǐng)域碳纖維需求的比例為 1.80%,需求基數(shù)不大但高性能需求強,應(yīng)用廣泛,同時隨著我國遠(yuǎn)程戰(zhàn)略武器的快速發(fā)展,有望擴大碳纖維復(fù)材的應(yīng)用占比。吸波隱身:普通碳纖維對電磁波是反射體,不具備吸波功能,通過對碳纖維進行表面改性(如鍍鎳、涂覆碳化硅涂層等)、研制新型碳纖維(如異形截面碳纖維、螺旋碳纖維、多孔碳纖維、碳納米管等),能顯著改善其電磁性能。
portant; overflow-wrap: break-word !important;">特種碳纖維用于制造隱身飛機,如 B-2 隱身轟炸機,其整體機身除了主梁和發(fā)動機機艙采用鈦復(fù)合材料外,其余部分均采用碳纖維復(fù)合材料。美國隱身戰(zhàn)機 F-22, CFRP 用量達到 24%,英國 Typhoon 戰(zhàn)機復(fù)合材料用量高達 40%。結(jié)構(gòu)型碳纖維吸波復(fù)合材料結(jié)合了復(fù)合材料輕質(zhì)高強的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和吸波特性,是雷達隱身材料的重要發(fā)展方向。碳纖維吸波材料屬于功能和結(jié)構(gòu)一體化的優(yōu)良吸波材料,隨著隱身結(jié)構(gòu)材料的完善和提高,碳纖維復(fù)合材料的需求還將持續(xù)增長。
portant; overflow-wrap: break-word !important;">我國四代機之前,復(fù)合材料的應(yīng)用范圍僅限于尾翼、鴨翼等次承力結(jié)構(gòu)上,用量占比不到 10%,四代機復(fù)合材料用量有了明顯突破,復(fù)材用量達到整機結(jié)構(gòu)件的 20%左右。
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portant; overflow-wrap: break-word !important;">軍用飛機用先進樹脂基復(fù)合材料經(jīng)過近 40 年的發(fā)展,已經(jīng)從初的非承力構(gòu)件發(fā)展到應(yīng)用于次承力和主承力構(gòu)件,可獲得減重 20%~30%的顯著效果。從用量來講,當(dāng)前先進軍用飛機的復(fù)合材料用量己超過 30%,今后在用量上的比例將趨于穩(wěn)定。在軍機制造中,樹脂基復(fù)合材料可用于制造作戰(zhàn)飛機的雷達罩、機翼、機身、鴨翼、平尾和發(fā)動機外涵道等。
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portant; overflow-wrap: break-word !important;">美國 F-35 本身制造上大量使用了高強度碳纖維纖維復(fù)合材料。尤其是在蒙皮和機翼結(jié)構(gòu)和機體結(jié)構(gòu)部件上,大量創(chuàng)造性的使用了碳纖維復(fù)合材料。它所用的碳纖維復(fù)合材料已占全機總重量的 1/4,占機翼重量的 1/3??梢哉f F-35 減重上,碳纖維的功勞屈一指。
portant; overflow-wrap: break-word !important;">隱形噴氣式飛機機身覆蓋著一種雷達吸收材料(RAM),如 B-2“精靈”或 F117“夜鷹”,目的是將接受電磁波轉(zhuǎn)化為熱量。RAM 在高溫、潮濕和摩擦下會失去完整性。
portant; overflow-wrap: break-word !important;">北卡羅來納州立大學(xué)的研發(fā)團隊開發(fā)了一種碳纖維增強復(fù)合聚合物(CFRP)蒙皮,以解決 RAM 限制引起的問題,并被用于 B-21 隱形轟炸機。該復(fù)合材料由碳納米管(CNTs) 進行了增強,碳納米管強度高、重量輕,能夠承受超過 1800°C 的溫度,并有助于傳導(dǎo)傳入的電磁能。
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portant; overflow-wrap: break-word !important;">試驗證明,新的復(fù)合材料擁有極低的發(fā)射率,幾乎無法被檢測到,與目前隱形飛機上使用的僅能吸收 70-80%的 RAM 相比,對電磁波的吸收率可達 90%以上。這種新材料將噴涂到飛機上,厚度為3 毫米。殲 11 系列和成飛的殲-10 殲-20 系列,機翼都大量采用碳纖維復(fù)合材料,航空工業(yè)近 20 年,具有大量采用碳纖維鋪層零件制造的成功經(jīng)驗。
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