首页/文章/ 详情
banner

说说·航空复合材料强度技术的前世今生与未来发展

13天前浏览314

本文摘要:(由ai生成)

复合材料由多种材料结合而成,具有独特性能,广泛应用于航空等领域。它们具有高比强度、高比刚度等优点,但也面临抗冲击性能差、环境敏感性等强度问题。专业团队致力于复合材料强度研究,解决技术瓶颈,推动材料发展。随着新材料、工艺的涌现,复合材料设计、制造面临挑战,但同时带来发展机遇。专业团队将围绕飞机发展需求,解决强度问题,提升技术水平,支持国产复合材料产业化发展。

复合材料,顾名思义就是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观或微观上组成具有新性能的材料。目前,复合材料的应用愈发广泛,复合材料中碰到的强度问题也是日渐突显。今天,我们就来听强度君说一说复合材料的前世今生与强度博弈。


       
     

01 复合材料的前世今生

复合材料源于大自然,昆虫、鸟类等动物比人类更早地了解和应用了复合材料,如用泥土将植物秸秆粘接在一起构筑结实牢固的巢穴。而人类的复合材料应用同样也始于建筑,原始人利用动物的粪便、粘土、稻草和树枝等材料的混合结构来构建房屋。众所周知的古埃及金字塔,便是使用了石灰、火山灰等作粘合剂,混合砂石等作为砌料,这其实也就是最早最原始的颗粒增强复合材料。


   

——植物纤维泥土基复合材料燕窝


到了19世纪末,人类对于复合材料从无意识的感性向理性认识阶段发展,独木舟建造者尝试使用牛皮纸与紫胶粘合,制作纸层压板就是典型的代表。20世纪30年代合成树脂的出现更是推动了整个复合材料产业的发展,玻璃纤维和合成树脂的“复合产品”也被认为是现代复合材料的起点。


复合材料发展到今天,碳纤维树脂基复合材料为代表的先进复合材料已成为主流。先进复合材料由纤维增强体与基体组成,其中基体起到粘结、支撑、保护纤维的作用,常见基体材料有双马来酰亚胺、聚酰亚胺、环氧树脂等;纤维分布在基体中起到提高基体材料性能的作用,常见纤维增强体材料有碳纤维、玻璃纤维等。


随着复合材料技术的发展,航空飞行器复合材料的用量从最初的不足1%(DC-10),发展到现今的50%以上(波音B787,空客A350XWB)。复合材料的应用结构也由最初的次承力结构(襟副翼、方向舵、扰流板、起落架舱门等)发展到主承力结构(机身、机翼、尾翼、后承压框等)。目前复合材料的用量已成为衡量航空飞行器先进性的重要标志之一。


   

——飞行器复合材料用量的发展过程

02复合材料的强度问题

先进复合材料由于其高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀及可设计性等诸多优点,被广泛应用于工程结构中,尤其是航空飞行器结构。与传统金属相比,采用复合材料可使结构减重20-30%。但是,世界上没有完美的材料,复合材料也不例外,在诸多环节中不断出现的问题以及因复合材料强度问题所引起的飞行事故,使得工程师们逐渐意识到,复合材料的研发之路还有很长的路要走。


航空复合材料的抗冲击性能差是其不可回避的问题,在受冲击后复合材料层间性能非常薄弱的缺陷暴露无遗,一旦出现分层损伤,则会对结构整体性能造成严重破坏。冰雹、雷击、鸟撞等使飞机结构受损从而导致飞机解体引发灾难性事故的案例不在少数。


相比较于飞行过程中高能量的瞬间冲击,日常使用、维修过程中的低能量冲击更令工程师感到头疼,事实上飞机复合材料部件最多的损伤恰恰就是在维护过程中各种碰撞、拆卸而产生的,比如维修人员身上掉落的扳手砸到结构表面造成的冲击损伤,这不经意的一瞬间足以造成内部的缺陷。而与高能量冲击不同的是,这种缺陷在外表面可能根本无迹可寻。而当你发现表面有勉强目视损伤时,可能结构内部已经受损严重,强度也骤降一半之多。


   

——复合材料冲击损伤与剩余压缩强度的关系


近年来,随着航空飞行器用途和使用环境的多样化,复杂极端天气,如高温、潮湿、浸润等对复合材料的影响变得愈发不可忽视。虽然复合材料中的纤维增强体对环境敏感度可以忽略,但是水分子可以通过基体扩散、纤维-树脂基体界面间的毛细作用渗透到结构中。这种“趁虚而入”的行为会降低其玻璃化转变温度,从而引起与基体密切相关的力学性能(如拉伸、压缩、层间剪切强度、挤压强度等)明显下降。因此复合材料结构必须考虑湿热环境联合作用下的强度问题。


大家最为熟悉的F-22等战斗机,由于超声速巡航需求,机身外表面长时间与空气高速摩擦产生高温,在机翼复合材料的选择上不惜使用韧性和抗冲击性能更差的双马来酰亚胺树脂基体,以获得260℃的最大工作温度。B787在发动机吊架等高温结构中,仍坚持选用钛、钢等材料。


另外,复合材料静强度和疲劳强度的分散性均高于金属,特别是疲劳强度尤为突出,因此在对复合材料结构进行疲劳验证时,除寿命分散系数外,有时还考虑载荷放大系数。


以上异于金属材料的特殊性能和特征,在力学性能表征、设计、结构强度评估与验证等方面给复合材料带来了一些特殊要求和强度问题。随着复合材料在飞机主承力结构中应用的不断扩大,这些强度问题也变得越来越突出。

03复合材料的强度力量

航空工业强度所在复合材料强度领域有一支长期从事设计、分析与试验的专业团队。主要针对航空航天、轨道交通、车辆装备及工业建筑等领域的工程应用需求,围绕复合材料耐久性/损伤容限、稳定性、连接、积木式试验及轻质多功能复合材料结构等五个专业方向,开展基础理论、技术攻关以及前沿探索等科研工作,并承担相关验证任务。


           
           
           

——复合材料专业著作、试验标准等


作为国内复合材料飞机结构型号研制与预先研究积木式验证的中坚力量,完成了大量的典型构件、大尺寸构件及全尺寸部件的强度验证与评估工作,具有满足适航要求的积木式验证试验技术及分析能力。

   

——积木式验证体系


在理论分析方面,可开展复合材料连接传载特性与连接强度分析评估、连接区设计和试验规划与评定;复合材料构件、壁板和盒段等结构稳定性分析及后屈曲强度评估;含缺陷/损伤复材疲劳寿命预计与剩余强度分析;复合材料结构修理容限和修理方法分析,可维修性设计,修理结构强度/刚度/耐久性评估等方面的技术研究。

   

——复合材料结构强度分析


在试验能力方面,配备1kN-6000kN等不同规格的静力和疲劳试验机20余台,具备在低温(-80℃)、室温和高温(1200℃)等不同环境条件下进行材料及结构力学性能测试的能力。自主设计研发了平直壁板双向压缩试验平台、平直壁板压-剪复合试验平台、曲板(机身壁板)拉(压)-剪-气密载荷复合加载试验平台。并拥有一系列的多通道测控系统、非接触式全场变形测量系统等关键试验条件。测试技术与自主研制的试验夹具、装置能力已达国际先进、国内领先水平。

——壁板压-剪复合载荷试验装置

随着先进飞行器结构的发展,新设计方法、新材料/工艺/结构及自动化制造设备不断涌现,未来飞机结构呈现复合材料化、整体化、结构功能一体化的特点。复合材料在设计、制造、分析及试验等方面将面临巨大的挑战及机遇,同时随着更轻质、更节能、更高效、更绿色等理念的深度融合,也给复合材料的应用提出了更高的要求。


强度所复合材料结构强度专业将紧密围绕我国军民用型号飞机发展需求,着重解决复合材料在型号研制过程中遇到的强度瓶颈技术问题,以及面向未来先进飞行器的新材料、新工艺及新结构的强度基础技术问题。以探索复合材料强度理论、创造复合材料强度技术、提供复合材料强度工具、验证复合材料强度设计为使命,支撑低成本、国产复合材料产业化发展,进一步提升我国复合材料结构强度设计、分析与评估以及试验验证等方面的技术水平,为我国工业复合材料的发展持续提供澎湃的强度力量。

来源:中国飞机强度研究所

特别声明:公 众号部分文章和图片来源于网络,发布的目的在于传递更多信息及分享,并不代表本公 众号赞同其观点和对其真实性负责,也不构成任何其他建议。版权归原作者所有,任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议,请第一时间联系我们,我们会及时修改或删除。

广告免责声明:为了公 众号稳定发展,本公众 号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公 众号只提供发布平台,对广告内容的真实性或有效性不做评价,请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公 众号无关,特此声明。

来源:碳纤维生产技术
疲劳复合材料碰撞化学航空航天轨道交通建筑理论材料试验
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-07-09
最近编辑:13天前
碳纤维生产技术
助力国内碳纤维行业发展
获赞 16粉丝 13文章 2737课程 0
点赞
收藏
作者推荐

企业资讯·精工科技:碳纤维复合材料项目正式签约

6月28日,碳纤维船舶轻量化复合材料项目在浙江绍兴正式签约。岱山县人民政府、浙江精工集成科技股份有限公司(简称“精工科技”)、尚辰(浙江绍兴)复合材料科技有限公司(简称“尚辰复材”)、舟山宁兴船舶修造有限公司(简称“宁兴船舶”)共同签署战略合作协议。 ▶碳纤维船舶轻量化复合材料项目签约现场岱山县人民政府县委副书记、县长卢建波,岱山经济开发区管委会主任刘天,精工科技董事长孙国君、精工科技总裁李爱军,尚辰复材总经理赵鑫,宁兴船舶董事长王文彤等领导参加签约仪式。 ▶孙国君董事长向卢建波县长及协议各方的到来表示欢迎仪式伊始,精工科技董事长孙国君向卢建波县长及协议各方的到来表示热烈欢迎,随后介绍了集团“3+1”产业板块的发展情况,重点就精工科技深耕装备智能制造的发展作了汇报。他表示,精工科技通过构建原丝、碳化、复材“三位一体”装备产业链的格局,在碳纤维全产业链领域奠定了优势地位,期待发挥公司在碳纤维全产业链装备与技术的集成优势,联合各方推动船用复合材料的产业化、规模化的推广应用。 ▶卢建波县长对于此次合作寄予高度期待会上,岱山县委副书记、县长卢建波对于精工科技在碳纤维装备领域取得的成果予以高度肯定,同时也对此次战略合作寄予了期待。他表示,近年来,岱山锚定“双碳”目标,高起点构建了集风电、光伏、氢能等于一体的绿色能源产业体系。希望通过此次战略合作,共同聚焦高技术船舶制造、高端海工装备制造、海上风电产业等领域,布局国家战略性、关键性新材料的大规模推广应用,推动传统海洋经济转型升级。为实现“双碳”目标,绿色低碳、节能减排成为船舶行业发展的主要方向,对于轻量化、零排放、新燃料船型设计与应用有着迫切需求,其中,复合材料的应用是大势所趋。《浙江省全球先进制造业基地建设“十四五”规划》明确指出,要重点发展包括高性能纤维及复合材料在内的新材料和高端装备,促进船舶与海洋工程装备高质量发展,这为该项目的实施、应用提供了有力的政策保障。 ▶碳纤维船舶轻量化复合材料项目正式签约签约仪式上,岱山经济开发区管委会主任刘天、精工科技总裁李爱军、尚辰复材总经理赵鑫、宁兴船舶董事长王文彤代表协议各方共同签署战略合作协议。▶签约前,战略合作各方参观了精工科技智慧科技展厅。此次战略合作的签署标志着碳纤维船舶轻量化项目已成功迈出了第一步。下一步,协议各方将全力调配资源共享、优势互补、紧密合作,加快推动项目成果在浙江“落地生根”,全力推动碳纤维轻量化船用产品产业化发展,全面助力船舶行业向更安全、更节能、更环保的方向高质量发展。▶资讯链接/ More Information尚辰(浙江绍兴)复合材料科技有限公司,是一家专注于树脂基复合材料设计、研发、生产及加工的高新技术企业,主导产品有全碳纤维复合材料叶片、碳纤维机械臂、碳纤维板材、杆件和玻璃纤维复合材料天线罩、管件、板材和航空领域复合材料零部件。舟山宁兴船舶修造有限公司,位于中国浙江省舟山市岱山县,隶属于宁波宁兴控股集团,专注于各类船舶的建造,以及机械设备、建材、五金的销售业务,并开展货物和技术的进出口贸易,是一家在船舶修造领域具有专业实力的中型企业。来源:碳纤维生产技术

未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习 福利任务 兑换礼品
下载APP
联系我们
帮助与反馈