浅谈复合材料在航空产品制造中的应用

发表时间:2020/7/1   来源:《工程管理前沿》2020年3月9期   作者:章平
[导读] 中航飞机有限责任公司西飞机分公司 陕西省西安市 710089
        摘要:本文以复合材料在航空产品制造中的应用为研究对象, 通过对复合材料种类的介绍, 并对复合材料在航空产品制造中的优点以及未来主要发展方向等进行了探究, 最后在以上研究的基础上详细介绍了复合材料在航空产品制造中的实际应用情况。
        关键词:复合材料;航空产品;制造

        相对于传统的材料来说, 复合材料有着更好的性能, 在航空产品制造中能够发挥更大的优势, 并且随着复合材料技术的不断研究, 其在航空产品制造中的应用已经逐步取得了丰厚的成果。

        1 复合材料的种类
        复合材料的种类非常多, 并且其特性也有所不同。近些年来, 在生产制造业方面, 绿色环保材料成为复合材料中最为热门的种类, 基于这一出发点, 又逐渐研发出了苎麻或亚麻等多种麻纤维用于增强纤维的高新生物纤维类的复合材料。在这其中, 综合性能最佳, 应用范围最广, 最能作为复合材料代表的, 就是芳纶纤维和碳纤维等这一类增强纤维所制作出来的先进复合材料。

        1.1 芳纶纤维
        芳纶纤维的全称是聚对苯二甲酰对苯二胺, 在商业中又被称为凯夫拉, 这种材料在实际应用中具有非常明显的优势, 首先, 芳纶纤维具有极高的强度, 能够很好地抵抗断裂或过度变形, 力学性能佳。其次, 具有高模量的特性。材料的刚度比较大, 在一定应力的作用下, 发生弹性形变就越小。再次, 还具有较高的耐高温、耐酸碱的特性, 在使用的过程中, 不容易因为高温或者酸碱腐蚀而被损坏, 材料的使用寿命较长。最后, 还具备轻质的特性, 应用于制造业中, 生产出来的产品质量较轻。除此之外, 芳纶纤维能够在560摄氏度的高温下不发生分解, 也不会融化, 其优良的绝缘性能和抗老化能力, 也很大程度上延长了材料的寿命。

        1.2 碳纤维
         碳纤维顾名思义, 是一种纤维状的碳材料。这类材料的强度比钢更大, 但是其密度却比铝更小, 并且相对于不锈钢来说, 其耐腐蚀性更高, 同时, 其耐高温能力要比耐热钢还要好, 除此之外, 碳纤维的热膨胀系数也比较小, 不容易因受到高温而变形, 还具备类似于金属的导电性, 并且能够吸收冲击力, 在电学、力学、热学等多个方面的性能都比较好, 是一种集合了高科技的先进复合材料。
         
        2 复合材料在航空产品制造中的优点
        2.1 有利于减轻游轮的重量
         相对于比较单一的传统材料来说, 复合材料在航空产品制造中的优点非常明显。最为明显的就是能够在很大程度上减轻游轮的重量。航空产品作为船舶中的一种类型, 重量对于船舶生产来说, 一直是一项最受关注的指标, 传统的材料, 如钢铁、不锈钢、合金等材料的使用, 往往会使船舶具有较大的重量, 导致航空产品在生产和实际运行中容易出现很多问题。但是, 运用复合材料来生产航空产品中的一些零部件, 能够减少航空产品的重量三分之一到二分之一。相对于航空产品自身较大的重量来说, 这种重量减轻程度, 是很明显的进步和提升。整个航空产品的重量减轻, 会随之带来更多的优势,
         
        2.2 性能优势明显
        随着复合材料的生产技术越来越成熟, 传统材料的一些缺点, 如密度大、强度低、耐腐蚀性差等逐渐暴露出来, 不再适用于航空产品制造, 复合材料相对于传统材料来说, 在生产过程中, 融合了多种材料的优点, 并且由于生产技术的作用, 其性能优势更为明显。一般来说, 复合材料都具有耐高温、耐酸碱、高强度、高模量、低密度等优点, 除此之外, 其具备类似于金属的良好导电性, 并且抗蠕变能力、传热能力以及震动衰减性较好, 并且膨胀系数小, 在使用的过程中, 不易发生变形。生产技术越成熟, 其生产成本就越低, 在市场中的竞争力就会越大。复合材料的生产技术一直在不断地进步, 一些技术较为落后、性能较差的复合材料也会逐渐地被技术先进、性能良好的复合材料逐渐取代, 在航空产品制造中发挥更好的作用。



        2.3 更高的设计自由度和更低的成本
        复合材料作为制造航空产品的材料, 由于其自身优良的特性, 能够制造出更为流畅的线条和形状更为复杂的部件, 有了复合材料作为制造的基础, 设计师就能够按照自己对于实用性和美观性、安全性等多方面的考虑, 来进行合理、科学的设计, 这就使得设计方案更为多样化、自由化。另外, 由于复合材料不易被腐蚀不易被损坏的特性, 具有更高的寿命, 航空产品在使用的过程中, 也不需要过于复杂的维护, 使得维护成本降低, 并且在安装与装配的过程中, 受到的条件限制更少, 总体来说, 进一步降低了航空产品的造价, 并且随着复合材料的不断研发, 材料自身的成本也会越来越低, 那么, 复合材料在航空产品制造中, 整体的造价也会更低, 从而减少了航空产品制造的成本。

        3 复合材料的发展
        3.1 国际上对于复合材料的研究
随着相关科学技术的进步, 复合材料的部件的生产成本整体上呈现降低的趋势, 而产量则在逐年提高。现如今, 复合材料的生产工艺, 已经由原来传统的开模成型技术, 逐渐地转变为闭模成型技术。并且生产方式, 也由原来的以手工劳动为主转变为批量闭模成型技术生产。一方面, 这种闭模成型技术具有更高的灵活性, 能够根据生产需要, 制造出尺寸大小不同、复杂程度不同的零部件, 更为符合航空产品制造的需求。另一方面, 这种生产方式能够结合自动化生产技术, 减少人为手工劳动在生产过程中的占比, 从而使生产的效率更高。除此之外, 由于在生产设计的过程中, 就已经按照要求成模, 因此, 部件的孔隙含量能够最大程度地降低, 生产得到的复合材料部件的质量也就更好。

        3.2 国内复合材料的发展现状
        由我国自主研发的高科技复合材料产品F-12高强有机纤维属芳纶类纤维, 具有极高的强度和模量, 并且其具有低压缩强度、低密度等多种优异的特性, 其性能相对于国内其他已经投入批量生产的芳纶II纤维来说, 有着更为明显的优势, 已经达到了世界先进复合材料的水平, 步入了国际芳纶纤维类产品的一线行列。另外, 我国在对于碳纤维方面的研究, 在进入21世纪之后发展速度比较快。国内的碳纤维制造在采用了新的生产技术之后, 其质量明显提升, 产量也大大地提高了, 现如今, 我国运用完全自主研发的碳纤维生产技术所生产的此类产品, 取得了巨大的成就, 已经可以在国际先进复合材料行列占据一席之地。

        4 复合材料在航空产品制造中的实际应用
        4.1 复合材料在国际航空产品制造中的应用
         碳纤维、芳纶纤维增强材料等先进复合材料, 近些年的生产技术获得了突飞猛进的发展, 而且这类复合材料已经开始广泛地应用于航空产品的生产制造中, 其中航空产品的功能结构与主承力构件中的应用尤其多。复合材料在航空产品制造中的应用主要包括赛艇、帆船以及双体船等此类高速艇。在很多新建的航空产品中, 碳纤维、芳纶纤维等复合材料通常被用于制造航空产品的船体、甲板、风帆桅杆、龙骨等。
         
        4.2 复合材料在国内航空产品制造中的应用
        如今, 很多航空产品在制造过程中, 所应用的复合材料越来越多, 甚至很多已近于完全使用复合材料。在我国, 由中科院上海等研究院、上海联亚航空产品投资管理有限公司和汕头扬帆海天航空产品制造有限公司合作研发的“中科·联亚”号航空产品, 是我国第一艘全部应用碳纤维材料制造的航空产品。航空产品全身几乎全部使用碳纤维复合材料, 比普通的航空产品重量减轻约三分之一, 在航行速度、燃料节约以及船身强度方面, 有着明显的优势。

        结语
        总之, 通过上述研究, 我们认识到复合材料在性能方面有着极强的优势, 尤其是其密度小、耐腐蚀、强度高等特性, 在航空产品制造中表现得更为明显。在今后的工作中需要加大航空产品复合材料研制方面的科研投入,在复合材料生产技术方面努力实现与国际接轨, 不断地提升复合材料生产效率和质量, 让性能更为优良的复合材料配件应用于航空产品制造中, 在该领域获得长足的进步。

        参考文献
        [1]熊志宏, 蒋中维, 丁小兵.高性能复合材料航空产品船体切边机研制[J].科技风, 2018 (05) :158.
        [2]卢馨.先进复合材料在航空产品中的应用[J].内燃机与配件, 2017 (16) :156-157.
        [3]杨珍菊.复合材料产品与应用进展[J].纤维复合材料, 2016, 33 (03) :27-40.
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