航空材料的新进展北京28官网

[美国《航空周刊与航天技术》2004年4月26日报道] 开发下一代民用运输机及公务机的工程小组对应用复合材料充满信心:采用这种种材料是实现机体减重及降低直接运营成本的有效途径。技术的飞速进步促进了制造商在全新的飞机上显著地扩大复合材料应用。这些新飞机包括:555座的A380,拟议中的波音7E7,达索公司的隼7X及湾流550。然而,航空公司仍对复合材料在运营中的修理工作抱以相当的关注。巴西航空工业公司从事复合材料研究的主任工程师Francisco K.Arakaki承认,围绕复合材料的应用仍存在很多疑虑。除修理问题外,他指出在克服材料多孔及雷击问题上仍存在挑战。由两家法国公司Jec和Estin联合完成的市场调查表明,尽管复合材料应用中尚存在问题,但航空航天工业的复合材料用量仍以平均每年9%的速度增长。2003年,复合材料工业获得了500亿美元的收入,其中17%属于航空航天应用。据Jec和Estin公司市场联合调查项目负责人Thomas Farkas称,预计从2004年到2008年,大量的维修工作将以每年4%~5%的速度增加,超过了与之对应的材料如铝合金、钢等。他补充提到,连同航空航天工业一起,风力发电业、汽车工业及船舶工业在复合材料市场中保持最高的市场增长率。他指出,随着中国等具备低成本劳动力国家的加入,复合材料价格会逐渐降低。空客复合材料项目总裁Michael W. Kolax称:"飞机制造商承诺扩大复合材料用量是建立在以往20年新技术的开发、周密的策略及坚实的经验积累基础之上的。此外,飞机发展的优先次序也发生了变化。尽管在飞机上采用复合材料结构的速度放慢了,但目前又有一个新的跃进。受严酷竞争因素的驱动,空客和波音均将采用复合材料结构视为改善经济性的途径。"Kolax在Jec公司举办的复合材料展览会上安排了一个专题讲座,他说:"先进的碳纤维复合材料机身是最普通的候选对象,其优点是结构/舱内材料的一体化,较为简单的系统安装、减少零部件数,缩短总装时间。"波音民用飞机7E7项目技术负责人Alan G. Miller表示对新材料充满信心。波音7E7结构的50%将由复合材料制成,仅采用不超过20%的铝合金,15%钛合金和10%钢。他指出"应用高韧性、良好的耐久性、高损伤容限型复合材料将为大幅减重、降低腐蚀及疲劳风险并简化维修开辟新的道路。"空客负责A380项目的执行副总裁Jerome Pora称:有迹象表明,航空航天工业正在开展谨慎的研究,通过严格的演示验证,依据严格的大型运输机结构设计参数来选定材料。除碳纤维复合材料之外,空客还选定玻璃纤维增强的铝合金层板Glare来制造27块A380的机身壁板,每块长11米。达索飞机公司飞机工程部新工艺、材料与测试分部的PhilippeVautey说:" 隼7X的主承力件,如翼盒、方向舵及前缘,将由碳纤维复合材料制成。作为远期计划,将考虑全复合材料的无人战斗机以及超声速公务机。法国空/海军的"阵风"战斗机上采用了1000千克复合材料,应用部位包括机翼等零部件。与此同时,复合材料将逐步引入目前生产中的隼系列飞机,以达到减轻重量并减少零件数的目的。"为寻求飞机减重的更大空间,在下一代飞机上采用全复合材料的计划正处于酝酿之中。

先进材料的强度、韧性及可维修性正在推动下一代飞机及其动力装置的发展,目标是获得长寿命、无修理的结构以及工作温度更高、油效更高的发动机。有人说,如果说上世纪90年代可以称作电子时代,当时广泛采用先进的飞行管理及安全系统,如EGPWS(增强的近地告警系统)及TCAS II(交通告警及防撞系统),那么21世纪的头10年将无疑是先进材料年代,这些先进材料包括碳复合材料、钛、铝合金及玻璃增强铝层压材料。复合材料在机体上应用的增长已导致钛及其他特殊金属成比例的增长,用以代替长期应用的铝。这是因为铝与石墨复合材料的电化学性能不同从而引起腐蚀,因此随着复合材料应用的增长,钛将变成防腐蚀的优选材料。1.复合材料的市场兴旺航空制造商现在大约采用2.5亿千克原材料(根据E复合材料公司"2004~2010年全球航空工业用复合材料的机遇"调查报告)。铝长期以来是机体及机身的首选材料,但这种选择正在放慢,主要是因为重量、成本及维修性问题。过去30年,复合材料的应用从波音737及747的小于5%增加到A320的17%,而787将用大约50%,其油效将比类似大小飞机高20%,其部分原因就是由于复合材料的应用。A380预计复合材料每架高于20%。本来根据复合材料优缺点的平衡,在民机上占结构重量的20%为宜,新的发展趋势已打破了这一论点。E复合材料公司估计复合材料在飞机上的应用在2005年到2010年间每年将增加10%,同期材料价值估计大约46亿美元。国防工业与787及A380一样在预测期也是复合材料需要之源。该公司估计在2005~2010年间,全球对复合材料的市场需求包括雷达罩、平尾、垂尾、襟翼、地板及机身。 2.大尺寸复合材料结构浮出水面大尺寸结构如机身及机翼一向是铝的地盘,将越来越多被复合材料挤出。EADS公司制造的A400M军用运输机将有一复合材料机翼,与787竞争的A350也将采用复合材料机翼。787将采用世界上最大的复合材料机身。目前已建造了4个开发型复合材料机身筒体,制造方案据说已敲定。波音也已制造了机头段及全尺寸的复合材料机翼盒成形件,以验证制造技术及保障技术。787主结构区用的预浸料正在由日本东丽公司制造,该公司采用聚丙烯腈碳纤维。波音已将复合材料预浸料(高强度碳纤维及韧化环氧)用在波音777的尾翼及地板梁之类结构。东丽公司将为787提供复合材料。不只是美国人干得欢,欧洲也在从事其大规模复合材料开发。根据1240万美元的FUBACOMP(全尺寸筒体复合材料机身)计划,一些公司已生产了一个整体的碳纤维前机身段(包括风挡、舱门及窗)。该结构是根据达索公司的"隼"的4:5比例由达索及BAE系统公司设计,在BAE系统生产厂内制造的。目前已可用碳纤维、蜂窝、泡沫或碳镶入件制造整体机身结构。这个4.5m长,2m宽的机身是在英国德贝郡(Derbyshire)的先进复合材料集团公司的先进芯轴上设计制造的。为了实现所需的芯轴性能,在制造后易将零件从芯轴上取下来,芯轴与真空成为一体以便在热压罐内用真空袋进行压实,用一拥有专利技术的动态密封法实现真空。复合材料结构有一系列优点,不仅降低装配成本,也可使飞机变得更轻,因无金属件,疲劳问题也少。现在机身已运到法国图鲁兹进行静强度、疲劳及鸟撞试验。3.新高温合金涌现通用电气、普惠及罗罗公司和斯奈克玛公司发现改进的高温合金在提高冷端及热端的性能上起着关键作用。特别引人注意的是传统的718镍铬高温合金的改进型718plus,它是由ATT Allvac 公司生产的。Allvac 718plus是一种时效硬化的镍基高温合金,具有高的高温拉伸及持久性能,在650℃以上具有与Waspaloy合金相同的高温性能及热稳定性。而成本较低,同时具有718合金的焊接及加工性能。由于718plus比718耐温高出55℃,可以用来制造性能更好的动力装置。4.铝合金不断适应新变化目前,铝合金在航空上的衰落被过分夸大了。因787的开发及A380的首飞对铝合金制造商是一鼓舞。例如A380的特点是比空客其他飞机用更多的Alcoa公司的铝产品。为了应付新机的制造需要,Alcoa公司将在今后18个月内投资6000万美元增加大约50%的热处理薄板及厚板的生产。Alcoa在2002年启动了在今后20年内将成本及航空零件重量各减少20%的计划。称之"Alcoa航空20/20创议"。目标是通过开发诸如铝锂、铝镁之类低密度合金及新的连接工艺(如搅动摩擦焊、激光焊及胶结)开发及应用来实现。Alcoa公司的战略集中在缩小铝合金与复合材料之间的性能差距,并同时改进现有金属产品的性能。在机翼设计上,重点放在受拉应力的上蒙皮及受压应力的下蒙皮,方法是采用具有先进性能的合金,进行选择性的增强,采用纤维金属层压材料再加上局部增强的焊接方法以及整体增强的壁板。对比分析表明,除了性能改进外,上述措施表明:仅用先进合金可使重量减少5%,先进合金局部增强时,可减重9%,用层压的纤维金属板时,减重可达13%。 目前Alcoa公司已评估几种机身方案,相信20/20的目标将达到。最近在空客的A350新机开发方案中,就将采用Alcoa的一些思想,例如在机身蒙皮中就准备采用第三代铝锂合金C47A,并采用搅动摩擦焊。通过设计、材料与工艺的结合来使铝合金适应新的要求。空客公司十分看好铝合金机身结构的抗损伤能力,认为在这方面优于787的复合材料机身。 5.高性能镁合金仍有生命力镁合金是最轻的结构材料,广泛用于喷气发动机及直升机的减速器机匣,近年应用有所减少。但工作温度可达200℃的含Nd的Elektron 21镁合金已取得航空材料规范,并已批准进入新版的MMPDS(以前的Mil-HDBK-5)设计手册,该手册2006年初将再版。研制该合金的英国著名的Magnesium Elektron公司正在开发新的高强高温变形镁合金,叫做Elektron 675,其强度2倍于铝,重量是钛的一半。可在100~300℃用于航空及国防产品,十分引人注目,表明镁合金仍有生命力。 6.钛合金扩大应用的关键是降低成本近年钛合金的应用也受新材料竞争的威胁。但仍是航空材料中不可缺少的重要材料。估计在今后5年飞机增长速度达10%,波音787及A380,F-22及F-35等飞机仍是钛的大的用户,因钛是复合材料相匹配的材料。钛合金的高比强度及高断裂韧性使其广泛用于军机如F-22、F-35、欧洲战斗机及"幻影",钛合金用量达到结构重量的40%。新的高强钛合金如Timetal555已选用作飞机框架、紧固件及起落架。降低钛合金成本是目前的重点之一,工艺上的改进是主要出路。美国材料学会制订了新规范AMS6945,批准Ti-6Al-4V合金只经一次熔炼,即采用电子束熔炼,已生产225万千克产品作军用。新近美空军对此工艺进行资助,为将来在航空上的应用打开了门路。今后趋势是降低钛的冶炼工艺成本,如采用钛矿直接还原以及粉末冶金等。等离子弧熔炼也是一种制造钛合金航空发动机转动件的优质工艺。还有近无余量的激光逐层制造法也有发展前途,目前已在F-15及C-17上进行了飞行验证。 7.新颖的涂层一种是用纳米技术提高零件的耐久性,值得一提的是超韧纳米复合材料涂层可以改进航空发动机零件的耐久性,正在美国空军实验室进行开发,并已发现了其中的机理:宏观塑性是由极硬的纳米晶/非晶复合材料产生的,是由于大量的纳米晶粒在非晶基体中平移1~2nm引起。当其以高加载速率进行大的接触变形时,产生高的断裂韧性。实验室起初开发了一种新的耐磨材料,由非常硬的3~5nm的碳化物或氧化物镶入非晶的类金刚石碳或金属/陶瓷混合物基体,在初步鉴定阶段新材料显示异常的高硬度以及断裂强度。另一种是用太阳能涂层降低飞机的受热,值得一提的是,据英国Qinetiq公司报道,它开发了一种太阳能反射涂层,可降低飞机表面的温度。该涂层称作低太阳负荷漆,具有各类军民用途,可降低飞机、车船的全寿命成本。试验已表明LSL与传统漆相比可降低表面温度达35%,在热气候条件下可望进一步降低。这一技术可以通过减少空调及隔热材料来降低重量及成本。LSL外观为黑色。(作者:中国航空工业发展研究中心技术研究所 陈亚莉)

2004年是航空材料技术发展迅速的一年。与前几年一样,在这一年里,传统材料的改进工作仍集中在先进复合材料及高温合金的性能优化及成本降低上。功能材料继续成为研究重点,表现出与变形飞机有关的智能材料的快速发展。最后,前瞻性材料如纳米材料领域更是成果迭出,美国人预计,在未来几年内,纳米材料将实际用于航空工业。1. 先进复合材料技术加快发展军用飞机复合材料技术稳步发展大型军用运输机一直是国外研究的重点机型,但近年研究发现,目前国外有一种观点认为,大型战略运输机耗资巨大,因此目前波音启动了一项称之为"战区内运输机"的计划,这种运输机的有效载荷约8万磅,在战区内无机场环境下能实现短距起降,结构为翼身融合体,要求材料具备高韧性、缺口敏感性低、生存力高的特点,复合材料将占很大比例。主要用于机翼等部位。民用飞机复合材料用量成为竞争筹码进入新世纪以来,由于受残酷的竞争因素驱动,各大民机制造商均将其视为实现新飞机机体减重及降低直接运营成本的有效途径,先进复合材料在大型民用客机上的应用急剧升温,如欧洲的A380采用了22%复合材料,另采用了3%GLARE金属层板复合材料,复合材料单机用量达到29937kg。拟议中的波音7E7复合材料更是达到50%,创大型民机复合材料的记录。为确保复合材料结构的安全性,在机体中广泛置入了传感器。尽管波音、空客两家公司均将复合材料作为竞争未来民机市场的重要筹码,但空客认为,尽管复合材料在机翼上应用已经成熟,但碳纤维复合材料就已知性能来说仍嫌不足,它的抗冲击性不好,缺乏塑性、受高冲击部位难于修理。这种材料特别不适于机身,因为它的扭转弯曲强度及应力尚不十分清楚,A380机身之所以用Glare就是因为它的性能比纯复合材料稳定,也了解得更多。而波音公司的观点不同,认为复合材料已成熟,经过40年研究,性能了解很清楚,认为挑战不是技术性的,而主要集中在成本问题上,通过低成本技术的采用可以降低成本。尽管目前航空公司对于全复合材料机身易被地面人员损伤这一点存在恐慌,美国航空公司每年为此种损伤成本达20亿美元,而复合材料又比铝易受冲击损伤,但临时修理半小时内即可完成,可让飞机飞回基地。永久性的修理需几天,但要5~10年才进行一次。此外,在紧固件的使用上注意了框架采用金属紧固件进行机械连接,因复合材料紧固件拉伸性能好,但剪切性能尚未过关。至于复合材料机身的扭转或弯曲,可通过铺层方式以及使用偏转装置来控制。业界认为,两家公司在如何最佳引入先进结构材料上存在的不同观点,与十年前关于飞机大小争论一样,可能需要10年才能看出谁的答案能得到市场的认可。尽管如此,由于受波音飞机复合材料高用量的威胁,空客在今年宣布开发的A350上,为使重量较A330减轻8吨,也将复合材料用量调整到31%,从而表明空客在审慎使用复合材料的态度上发生了某些变化。由国外完成的市场调查表明,尽管复合材料应用中尚存在问题,但航空航天工业的复合材料用量仍以平均每年9%的速度增长。2003年,复合材料工业获得了500亿美元的收入,其中17%属于航空航天应用。预计从2004年到2008年,大量的维修工作将以每年4%~5%的速度增加,超过了与之对应的材料如铝合金、钢等。航空航天工业在复合材料市场中保持最高的市场增长率。随着航空器向高空、高速、信息化、智能化、隐身、无人化发展,未来航空武器中的重点机型如无人战斗机、高超声速导弹及飞机、战略轰炸机等一系列型号上,复合材料将扮演主角。先进复合材料低成本技术进展迅速 本年度低成本复合材料技术发展迅速。其中纤维铺放技术在2004年被用于F-35下翼面蒙皮等领域不断出现新成果。装甲材料有望在飞机上获得新应用国外近年对将装甲材料用于军民用飞机的兴趣日益高涨。"光谱屏蔽"是一种由光谱纤维及芳纶纤维增强的复合材料。光谱纤维是一种高强度、高模量的聚乙烯纤维,比强度为钢的十倍,比重0.97。其关键性能指标--抗冲击性能相当出色。光谱纤维制成经编或机织物,发射中产生的能量能迅速消散。据美国称,包括美国海岸警卫队需要更综合化、重量更轻的装甲系统以用于飞机装备。这种材料也被用于或被评估用于一系列固定翼及旋翼机,如美国陆军的"黑鹰"的地板及座椅装甲、AC-130的地板、座椅及加固的座舱门,以及"科曼奇"。目前国外看好在大型直升机如"支奴干"上使用这种装甲材料。空客公司也对在A400M军用运输机上使用它很感兴趣。波音正在评估将光谱屏蔽材料用于7E7座舱门的可能性。此外,这种新型高强度材料也有可能作为7E7副翼、座椅及机翼的候选材料获得有限应用。2.传统金属材料仍在挖潜 高温合金技术在2004年取得了长足进展,单晶合金及涡轮盘等领域均出现了新进展。近年铝合金的挖潜工作仍在不断展开。7085是其中的典型例子。该合金是美国Alcoa公司开发的新型铝合金,用于A380翼梁和翼肋,与制造超厚板材和大型锻件用的传统材料相比,7085强度更高,抗损伤性能更好,使A380的重量明显降低,同时因此降低了成本。该合金被各国广泛看好。A380在铝锂合金的选用上也取得了成功,空客公司在A340的几个部位(机身、机翼蒙皮、桁条、框及座椅轨道)试图用第一代铝锂合金,但由于热稳定性、各向异性以及裂纹问题,8090T8511,2091T851等合金只好放弃。第3代铝锂合金由于减少锂含量、优化合金元素含量从而改善了析出相,使上述问题得以克服。Alcoa公司的C460以及Pechiney公司的2196属于第3代铝锂合金,是专为挤压件开发的,两种合金与7175T73511比较,性能相当或高一些,且抗蚀性得到改善,这些合金已成功批准用作A380的地板梁,目前正在考虑用作A380的下翼面的桁条,新的铝锂合金薄板考虑用作机身蒙皮。此外,在今年推出的A350上也将引入铝锂合金作为减重措施之一,铝锂合金正被用来与复合材料相竞争。在A380上,钛合金的用量已经从原来占空客飞机结构重量的5%~7%增加到10%,仅发动机吊挂架和起落架的钛含量就增加了2%,这对未来飞机结构选材提出了独特的挑战。空客首次在A380发动机吊挂架主要结构上使用全钛合金材料。采用的普通Ti-6A1-4V合金也经过了β退火条件处理,以使之达到最大断裂韧性和最小裂纹扩展速度。A380也是空客首次采用与俄罗斯生产商合作开发的VST55531牌号新型钛合金材料的飞机。这种新型的钛合金材料具有异乎寻常的断裂韧性和高强度的组合特性,比较适用于机翼和发动机挂架之间连接装置的制造,其进一步的应用尚在研究之中。3.涂层技术高速发展涂层技术在今年也产生了不少新进展。在透明涂层方面,美国已开发出导电涂层及平显线路用透明碳纳米管涂覆液。Eikos公司的专利产品Invisicon透明导体是一种产量高、成本低的薄、柔性及耐久导电涂层技术,将有可能代替铟锡氧化物,用于军机座舱盖的透明导电聚合物涂层。此外,由美国开发的定向气相沉积技术克服了传统电子束物理气相沉积中基体必须面对气相源的问题,通过引入多源气相沉积以及空心阴极等离子激活,可控制涂层的成分及形貌。这就是说,可以通过沉积多层的不同材料而获得致密的晶体涂层,成分及形貌在表面上也可形成梯度变化。最终可将金属原子以薄层沉积在航空涡轮发动机叶片上进而延长发动机叶片寿命。4.电子/信息功能材料连获新进展与前几年一样,电子/信息功能材料已跃升为航空材料中的重点研究领域。采用分子聚合体印刷芯片电路、开发出芯片抗辐射涂层、用聚合物制备导线等都是该领域的新进展。其中IBM公司的研究表明,利用纳米技术,已经成功找到能够让电脑芯片更小的办法。他们已经找到了一套处理分子的新方法,这些处理过的分子能够以类似闪存存储芯片的工作方式进行组合。它们能够运用到硅片上面,以替代传统的芯片制造工艺。这种新技术能够让芯片商继续以摩尔定律进行发展。现在芯片制造面临的问题是,印制芯片硅片电路的透镜预计将在10年后达到极限。研究人员放弃了这种透镜蚀刻电路的方法,而使用了分子聚合体来印刷芯片电路,这种材料能够分散开来,从而自然形成电路样式。这种纳米制造技术既可以替代现在的芯片生产工艺,也可以同时使用。IBM称这种新工艺有望在5年之内投入试制生产。 2004年智能材料领域进展很快,表现为形变飞机接近试飞、智能蒙皮技术迈上新台阶及智能旋翼成功通过试验。5.纳米材料将改变航空产品生产方式 将纳米材料用于微型无人机制造是近年的热门领域。美国达拉斯大学最近的研究表明,由碳纳米管纤维制成的结构具有形变特性,有可能用于制造形变微型无人机。原理是一方面利用碳纳米管纤维的电气性能,将其作为储能材料以向发动机提供动力,另一方面利用其结构特性提供形变能力,在机动飞行中通过弯曲或扭转来控制飞行。制造工作包括将碳纳米管注射入一根充有聚乙烯醇的管内形成一种凝胶,然后纺成100mm的原丝,最后将线缠绕在微型无人机的心轴上。含碳纳米管的厚膜材料由美国加州的Nanomix公司转让给杜邦电子技术公司。碳纳米管厚膜发射器材料将被用来制造平板场发射显示器。Nanomix碳纳米管技术与杜邦厚膜技术相结合将改善发射器材料的发射效率。两家公司的转让将有可能得到生产成本更低的平板电视,其屏幕大,成像质量能像CRT的。这一技术有可能与等离子显示器及液晶显示器相竞争。另外,美国柏克莱加州大学开发一种截面积几纳米的银丝,可用作灵敏炸药的探测器。大约万亿根银纳米丝紧密包装在一薄层中,并指向同一方向。有序化的纳米银丝层是一种与化学品相结合的理想部位,可通过一种十分灵敏的技术--表面增强Raman光谱技术进行探测。单层的银纳米丝是一种非常灵敏的基体,从上面可以探测用作炸药的二硝基甲苯,DNT可以蒸气形式从炸药中发射从而可用纳米丝进行检测。包裹的银纳米丝的有效表面比涂层银多,可以测得更明确的信号,使信号易于诠释。6.检测技术确保航空材料的高质量今年出现了一种新的检测设备,对于解决军事装备耗费数十亿维修费用这一问题具有重大意义。位于美国密歇根州的热波成像公司开发了这种称为脉冲温度记录法,或可称为主动温度记录法的新技术,可检测出用其他方法无法检测出的、隐藏在外表面下的、结构层间的缺陷。它是将呈闪烁样的光投射在结构表面上,以实现"脉冲温度记录法"。与测量物体热信号的、被动的红外检测系统不同的是,新法是将一种预先准备的光脉冲投射到目标上,因而达到主动记录温度的目的。温度记录法与其他方法比较也有优越性。如采用超声法检测舰艇腐蚀需要数月,而采用新法仅需28天,且腐蚀的检出率提高了40%。 此外,为测量纳米组织及力学性能关系,开发了手掌大小的拉伸、压缩、弯折试验器,可安装在扫描电镜的真空室内,试验器施加的力可小到5kN,可试验的样品有:头发或单根碳纤维以及金属、陶瓷或聚合物微细产品。(作者:中国航空工业发展研究中心技术所 陈亚莉)

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