閆楚良

上期雜志中，我們帶大家認(rèn)識了比一元硬幣還要薄的飛機(jī)“皮膚”——蒙皮。其制造材料經(jīng)歷了從帆布到鋁合金，再到鈦合金或復(fù)合材料的發(fā)展歷程，本期就讓我們一起認(rèn)識助力飛機(jī)減重的復(fù)合材料吧！

能取長補(bǔ)短的復(fù)合材料

降低重量是現(xiàn)在飛行器設(shè)計的重要目標(biāo)之一，也是飛行器原材料的首選標(biāo)準(zhǔn)。早在上個世紀(jì)，復(fù)合材料就因質(zhì)量輕等特質(zhì)走進(jìn)飛機(jī)設(shè)計師的視野，成為制造飛機(jī)蒙皮、骨架的首選。

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，組成的具有新性能的材料。得益于不同材料在性能上的取長補(bǔ)短，復(fù)合材料比合金或單一材質(zhì)的材料性能更好。

20世紀(jì)六七十年代，美國和歐洲開始了以碳纖維為代表的復(fù)合材料的研究，目的是驗證復(fù)合材料應(yīng)用到飛機(jī)后，能否實現(xiàn)大幅減重和降低成本的預(yù)期目標(biāo)。后來事實證明，復(fù)合材料確實做到了以上兩點，并成為實現(xiàn)飛行器壽命長、可靠性高、研制成本低的重要技術(shù)途徑。

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? ? ? 復(fù)合材料為什么質(zhì)量輕？

復(fù)合材料通常由基體和增強(qiáng)體構(gòu)成。基體材料分為金屬和非金屬兩大類，增強(qiáng)材料主要有碳纖維、石棉纖維、玻璃纖維等。

因為在選材時就以減重為目的，非金屬基體和增強(qiáng)體通常都選擇密度較低的樹脂、纖維材料等，所以復(fù)合材料從源頭就比金屬、合金等材料輕得多。

? ? ? 什么是碳纖維？

碳纖維是一種絲狀碳素材料，含碳量在90%以上，強(qiáng)度比鋼鐵高但密度比鋁小，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高彈性模量、耐高低溫、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異特性。

其重要用途之一是作為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合制造先進(jìn)的復(fù)合材料。因有密度小的特點，所以碳纖維相比其他材料，在相同體積下會有相對較小的質(zhì)量，這對飛機(jī)減重來說是一大優(yōu)勢。

大火的明星材料

自20世紀(jì)70年代被大量開發(fā)并應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域以來，復(fù)合材料極大地促進(jìn)了飛行器的輕量化、高性能化和結(jié)構(gòu)功能一體化，成為除鋁之外最重要的航空航天材料。

最初，復(fù)合材料是為滿足軍用飛機(jī)的高機(jī)動性、超音速巡航和隱身等要求開發(fā)的。近年來，由于民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化的要求，它在民機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用也呈增長趨勢，成為新一代大飛機(jī)安全性、舒適性和環(huán)保性的重要指標(biāo)。

軍機(jī)領(lǐng)域，中國自從在殲- 8Ⅱ殲擊機(jī)機(jī)身中首次使用碳纖維復(fù)合材料以來，新一代隱形戰(zhàn)斗機(jī)殲-20的復(fù)合材料用量超20%，直-10和直-20直升機(jī)的復(fù)合材料用量也都在30%以上。

民機(jī)領(lǐng)域，中國自主研制的大型客機(jī)C919，除機(jī)翼、機(jī)身等主承力部段使用了鋁合金等成熟材料，尾翼、后機(jī)身和襟縫翼上均使用了復(fù)合材料，用量達(dá)12.5%。

研發(fā)飛機(jī)時，如何在提升材料品質(zhì)的同時為飛機(jī)減重，是提升飛機(jī)速度、降低研發(fā)成本的重要途徑，也是工程師們面臨的巨大考驗。未來，人類也許會研制出比復(fù)合材料更優(yōu)異的航空材料，這個重任等待著更多年輕人去完成。

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? ? ? ?飛機(jī)“結(jié)實”的3大指標(biāo)

飛機(jī)要在天空高速飛行，首先得保證“結(jié)實”。簡單來說，飛機(jī)的“結(jié)實”就是它對飛機(jī)載荷的承載能力。這個承載能力包含3個指標(biāo)，即滿足一定的強(qiáng)度（抵抗破壞的能力）、剛度（抵抗變形的能力）和穩(wěn)定性（保持其原有平衡形態(tài)的能力）要求。大到機(jī)身、機(jī)翼，小到機(jī)翼中的蒙皮等構(gòu)件，甚至一顆不起眼的螺絲釘，都要符合這3項指標(biāo)。

飛機(jī)誕生后，為檢驗飛機(jī)的設(shè)計和制造能否滿足“結(jié)實”的要求和保障飛行安全，人們對飛機(jī)采取了各種的強(qiáng)度、剛度驗證方法，并制定了相關(guān)規(guī)范與試驗標(biāo)準(zhǔn)等。這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)后來成為飛機(jī)設(shè)計、生產(chǎn)、試驗和試飛鑒定必須遵循的重要依據(jù)。

飛機(jī)在空中改變飛行狀態(tài)或受到不穩(wěn)定氣流影響時，其升力會發(fā)生很大變化，這需要機(jī)翼除了有非常好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來承受巨大載荷外，還要有足夠的剛度保證自身不會過分變形