碳纤维复合材料在航空航天领域相关发展

碳纤维复合材料航空航天领域的发展浅析
咱们分航空和航天两个方面,对CFRP的应用,略加介绍。这篇的很多技术术语,都在前文中介绍过。您有了那些铺垫,再读下去,会觉得没那么生涩。还会因为知道了前因后果,感悟得更多一点所谓外行看热闹,内行看门道。说到应用,国外的料大家尽管爆,国内产品公开的信息不多,因此兵器迷所知有限,只能给大家上个小菜——所有国内资料都来自互联网官方报道和公开出版物,并注明了相关来源。额来坛子的目的,第一是学习,第二是分享,第三是科普。
一、航空方面的CFRP应用
业内一般认为,碳纤维复合材料在军用航空方面的应用大体上可以分为三个阶段(也有按四个阶段分的,差异不大)。民机对安全性、经济性、可靠性要求高于军机,因此在应用上更加保守和延后,但也大体追随了军机的步伐。在此一并介绍。
第一阶段——非承力结构:20世纪60-70年代:由于1公斤CFRP可以大体替代3公斤铝合金,性能满足要求,因此开始用于非承力结构,如舱门、前缘、口盖、整流罩等尺寸较小的部件。对于民机,除了上述应用外,机舱大量的内饰也会用到复合材料,但其中有很多是芳纶或者玻璃纤维复材,这里不赘述。
国内方面:从难度上说,非承力结构是航空复材的小case,但是应用面却最广泛。国内在技术上已无大
的障碍,基本达到了国外类似的水平,需要的是大规模普及。相信ARJ21,C919和运20等大平台和众多无人机小平台定型运营后,能够为此提供广阔的应用空间。
这些一般应用,大多用便宜的大丝束产品就够了;而T300以上的产品,贵得离谱,好钢用在刀刃上,于是大多用在承力结构上。
第二阶段——次承力结构:20世纪70-80年代:随着力学性能的改善与前期应用的效果提高了人们的信心,CFRP逐步扩展到飞机的次承力结构,即垂尾、平尾、鸭翼、副襟翼舵面等受力较大、尺寸较大的部件。
其中,1971年美国F-14战斗机把纤维增强的环氧树脂复合材料成功应用在平尾上,是复合材料史上的一个里程碑事件。波音B777也将CFRP应用于垂尾、平尾等多处部件,共用复合材料9.9吨,占结构总重的11%。
精神医学国内方面:
女兵部落中国将CFRP用于军机的舵面和翼面,也已经开始成熟。
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根据《玻璃钢》等杂志的公开报道,早在“六五”期间,沈阳飞机设计所、航空材料研究院和沈阳飞
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机厂共同研制歼击机复合材料垂尾壁板,比原铝合金结构轻21kg,减重30%。北京航空工艺研究所研制并生产的QY8911/HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。歼轰7-A战机采用了CFRP平尾。
缅甸荡寇志2009年建国60周年国防成就展上,报道了歼10在鸭翼、垂尾、襟副翼、腹鳍等所有7个舵面和腹鳍采用了CFRP材料,这与国外这一阶段的发展水平基本相当。
2011年通用航空大会上披露,即将定型的猎鹰L15高教机也采用了复材的机头罩、方向舵和垂尾,其中舵面是CFRP。
在民机方面,ARJ21新支线飞机的复合材料技术水平大体达到了这样一个水平,算是开了个头,但大规模应用尚需时日。
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图1 国内某机型基于“π”形接头盒段结构成型的CFRP垂直面
图2:猎鹰L15采用了T300CFRP材料制作的尾翼舵面
国内CFRP次承力构件的广泛应用,与T300生产进程密切相关。材料的国产化,产量的扩大化和价格

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