För närvarande har kompositmaterial blivit ett av de fyra huvudsakliga materialsystemen vid sidan av metalliska material, polymermaterial och oorganiska icke-metalliska material. Nivån på en nations kompositmaterialindustri har blivit en nyckelindikator på dess vetenskapliga, tekniska och ekonomiska styrka. Avancerade kompositmaterial är en källa till konkurrensfördelar för nationell säkerhet och ekonomi. Det förutspås att 2020 kommer endast kompositmaterial att ha potential att uppnå en prestandaförbättring på 20–25 %.
1. Tillämpningar i flygplanskroppsstrukturer
Avancerade kompositmaterial används för att tillverka primära lastbärande-bärande strukturer och sekundära lastbärande-strukturer, som erbjuder styvhet och hållfasthet som är jämförbar med eller överstiger aluminiumlegeringar. Dessa material används nu i stor utsträckning vid tillverkning av flygplanskroppar och integrerade strukturer för små obemannade flygfarkoster (UAV). USA har i stor utsträckning infört kompositer i stridsflygplan och stridsflyg. På 1960-talet använde USA först kolfiber-förstärkt plast (CFRP) i militära flygplan för komponenter som kabindörrar, åtkomstpaneler, kåpor och kontrollytor (t.ex. skevroder och roder{12}med eller utan last{1} krav. I början av 1980-talet utvecklades kompositer till svanskomponenter som vertikala och horisontella stabilisatorer (sekundära lastbärande strukturer), som ses i flygplan som F-15, F-16, F-18, Mirage 2000, och Mirage 2000, och Mirage 400 används fortfarande begränsad. slutet av 1980-talet började fjärde generationens jaktplan som F-22 och F-35 JSF införliva kompositer i stora bärande strukturer som vingar och flygkroppar, vilket påskyndade integreringen av kompositer i militära flygplan. Användningen av kompositmaterial har fortsatt att öka (tabell 1-2), och står nu för 20 %–50 % av strukturmassan i moderna militära flygplan.
Det brittiska företaget ICI använde GF/PA (troligen glasfiber-förstärkt polyamid) för att tillverka ventiler för stridsflygplan, vilket säkerställde att dessa ventiler bibehåller prestanda och dimensionsstabilitet även efter långvarig exponering för bränsle över ett brett temperaturområde. Du Pont använde också material som GF, KF/PA och PPS (polyfenylensulfid) för att tillverka komponenter till militära flygplan.
Med fjärde-generationens F/A-22 fighter som exempel, står kompositer för 24,2 % av dess strukturella material. Bland dessa utgör värmehärdande kompositer 23,8 %, medan termoplastiska kompositer utgör cirka 0,4 %. Cirka 70 % av de härdbara kompositerna är baserade på bismaleimid (BMI) harts, som används för att producera över 200 typer av komplexa komponenter. De återstående värmehärdande materialen består huvudsakligen av epoxiharts-baserade kompositer, med ytterligare användning av cyanatester och termoplastiska harts-baserade kompositer. Viktiga applikationsområden inkluderar vingar, skinn i mitten av flygkroppen, ramar och stjärtsektioner.
Militära rotorfarkoster använder också i stor utsträckning kompositer. Till exempel använder V-22 Osprey-tiltrotorflygplanet kompositer för över 40 % av sin strukturella massa, inklusive flygkroppen, vingarna, svansen och rotationsmekanismerna, som totalt uppgår till mer än 3 000 kg kompositmaterial. Den senaste europeiska Eurocopter Tiger-attackhelikoptern har kompositmaterial i 80 % av sina strukturella komponenter, och närmar sig ett helt sammansatt flygplan. Däremot använder militära transportflygplan färre kompositer-C-17 vid 8 % och C-130J på bara 2 % – även om Airbus A400Ms militära transporter har en helkompositvinge, med kompositer som representerar 35 % av dess strukturella massa när den är tom.
Inom civil luftfart hade det amerikanska-byggda enkelflygplanet Star舟 i början av 1980-talet en strukturell massa på cirka 1 800 kg, med kompositer som översteg 1 200 kg. Det lätta flygplanet Voyager från 1986, med över 90 % av sin struktur gjord av kolfiberkompositer, satte ett världsrekord för en-non-stop, nio-dagars kontinuerlig flygning runt-jorden. Idag har rivaliteten mellan flygjättarna Boeing och Airbus intensifierats, med huvudfokus på att öka användningen av kompositmaterial (Figur 1-2).
För att producera det första sammansatta flygplanskroppen för 787-flygplan, använde Boeing en fiberplaceringsmetod liknande den som används av Raytheon. Processen skapade en sammansatt flygkroppskomponent som mätte 7 meter i längd och 6 meter i bredd. Denna struktur tillverkades med hjälp av Automatic Fiber Placement (AFP)-teknik på en massiv roterande dorn. Dornen var för-bearbetad med spår som matchade formen och dimensionerna på flygkroppens stringers och longons. Förformade stringers och balkar (gjorda av kolfiber prepreg-lager och tryck-härdade) placerades i dessa spår innan lindningen. Under produktionen roterade dornen längs sin axel, vilket möjliggjorde kontinuerlig fiberlindning på formen för att bilda flygkroppsskalet, med fönsteröppningar kvar olagda. Flygkroppsskalet, tillsammans med balkarna och strängarna, autoklavhärdades sedan- för att skapa en monolitisk sammansatt flygkroppssektion, som senare togs ur formen som slutprodukt.
Boeing 787:s sammansatta flygkroppssektion är inte bara världens största filament-lindade flygkroppskomponent utan också erkänd som det största tryckkärl i kolfiber som någonsin tillverkats. Kompositmaterialets exceptionella drag-/bågestyrka gör det möjligt för det att motstå högre kabintryck och bibehålla ett internt tryck som motsvarar en höjd av 6 000 fot (1 830 meter)-jämfört med de typiska 7 000–9 000 fot i konventionella{12}improviserade passagerarflygplan. Dessutom motstår kompositer korrosion (en stor svaghet hos metallflygplan), vilket gör att kabinens luftfuktighet förblir stabil på 10–15 % (mot 5–10 % i metallkroppar), vilket ytterligare förbättrar komforten.
Under det växande inflytandet av kompositteknik gjorde Airbus om A-350 helt och hållet och döpte om den till A-350 XWB (Extra Wide Body). Flygplanet ökade sin användning av kompositmaterial från de ursprungliga 40 % till 52 %. A-350 XWB:s flygkropp är 13 cm bredare än 787:ans, vilket möjliggör en 9-abreast sitskonfiguration i högdensitetslayouter (jämfört med 787:ans maximala 8-abreast). Liksom 787 kommer A-350 XWB att bibehålla kabintrycket på en höjd som motsvarar 6 000 fot.
Den 14 juni 2013 genomförde Airbus framgångsrikt jungfruflyget med sina nya wide-body A350 XWB-flygplan, vilket markerade ytterligare en milstolpe i den globala flygindustrin efter Boeings B-787 "Dreamliner". A350 XWB och B-787 använder 52 % respektive 50 % kompositmaterial, vilket innebär en ny era inom flygkompositutveckling.
555-sätet A-380, världens största flygplan, uppnådde banbrytande bedrifter i flyghistorien genom att i stor utsträckning använda kolfiberförstärkt plast (CFRP). Kompositmaterial utgör 25 % av flygplanets massa, där 22 % är CFRP och 3 % är GLARE fiber-metalllaminat (en skiktad hybrid av aluminium- och glasfiberkompositer), den senares första användning i civila flygplan. CFRP-komponenter inkluderar: hastighetsbromsar, vertikala och horisontella stabilisatorer (dubblar som bränsletankar), hissar, skevroder, klaffspoilers, landningsställsdörrar, kåpor, vertikala stjärtfenslådor, övre kabingolvbalkar, bakre tryckskott, bakre flygkroppssektioner, horisontella stabilisatorer och skevroder.
Efter A-340:s banbrytande användning av kolfiber för kölbalken och kompositbakre tryckskott-att bryta traditionella designbarriärer-utmanade A-380 ytterligare tekniska normer genom att anta CFRP för sin centrala vinglåda (förbinder flygplansvingarna). Enbart denna innovation minskade vikten med 1,5 ton jämfört med avancerade aluminiumlegeringar. CFRP:s viktbesparingar, i kombination med utmattnings- och korrosionsbeständighet, förbättrade bränsleeffektiviteten med 13 % jämfört med konkurrerande modeller och minskade utsläppen. A-380 blev det första långdistansflygplanet som uppnådde "under 3 liter bränsle per passagerare per 100 km", med driftskostnaderna 15–20 % lägre än sin tids mest effektiva flygplan.
Dassault Aviations affärsjet Falcon 7X, som kan kryssa på 12 000 meter med en maxhastighet på Mach 0,8, rymmer 8 passagerare och har en räckvidd på 10 560 km (5 700 nautiska mil). Raytheons Beechcraft Premier 1 lätta jetplan når en marschhastighet på 835 km/h med en räckvidd på 2 759 km-båda med avancerade alla-kompositflygkroppar.
Japans nya transportflygplan, ALELEX, innehåller också betydande kolfiberkompositer.
Kina har också i stor utsträckning använt kompositmaterial i flygplansdesign och produktion. Till exempel har QY8911/HT3 bismaleimid enkelriktad kolfiberprepreg och kompositmaterial som utvecklats och tillverkats av Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute applicerats på komponenter som den främre flygkroppssektionen, vertikal svansstabilisator, yttre vingpaneler, spoilers och strömlinjeformade kåpor på flygplan. PEEK/AS4C termoplastiska ensidiga kolfiberprepreg och kompositmaterial som utvecklats av Beijing Institute of Aeronautical Materials uppvisar exceptionell brottseghet, vattenbeständighet, åldringsbeständighet, flamskydd och utmattningsbeständighet. Dessa material är lämpliga för tillverkning av primära-lastbärande flygplansstrukturer. Dessa material kan fungera under långa-120 grader och har använts i frontpanelerna på flygplanets landningsställsfack.
Det kinesiska militärflygplanet "Flying Leopard", som innehåller betydande kolfiberkompositkomponenter, har en total längd på cirka 22,3 meter, ett vingspann på 12,7 meter, en maximal startvikt på 28,4 ton, en maximal extern nyttolastkapacitet på 6,5 ton, en toppfart på Mach 1,70 och en räckvidd på cirka 3,600 kilometer. Med stridskapaciteter som överträffar dem hos Jaguar-, Tornado- och Su-24-flygplanen, visar Flying Leopard egenskaper som överensstämmer med tredje generationens stridsflygplan.
2. Applicering av kompositmaterial i flygplansstealth
Under de senaste decennierna har betydande framsteg gjorts i forskningen om smygkompositmaterial, som utvecklas mot egenskaperna "tunnhet, lätthet, bredbandsabsorption (spektral) och hållfasthet (slaghållfasthet, hög-temperaturbeständighet)." Kolfiber-förstärkta kompositer är inte bara{3}höghållfasta, men har också höghållfasta{3} lättviktsmaterial. smygfunktionalitet. Till exempel uppvisar CF/PEEK eller CF/PPS utmärkta bredbandsabsorptionsprestanda som effektivt absorberar radarvågor. USA var banbrytande för användningen av smygmaterial i flygplan, med F-117 och F-22 som de tyngre belagda. Smygbeläggningen på F-117 var mycket komplex och inkluderade upp till "sju olika material".
Den primära strukturen för det amerikanska F-22 överljudsjaktflygplanet använder kolfiberförstärkt specialplast med medium-modul-. På liknande sätt är Mirage III-stridsflygplanets fallskärmsöverdrag och utkastssäteskomponenter gjorda av sådana material, som framgångsrikt har använts för att absorbera radar{10}}delar som flygplansrevben, skinn, kopplingar och fästelement. Höljet Tomahawk kryssningsmissilen, substratet för flygplanet för B-2 stealth bombplanet och sektioner av F-117A stealth-flygplanet använder också kolfibermodifierade radarabsorberande material av polymer.
År 2000 uppgraderade det amerikanska flygvapnet F-117:s stealth-material och ersatte den ursprungliga sju-beläggningen med ett enda material. Denna förändring standardiserade underhållsprocedurer och radar{10}}absorberande material över alla F-117, vilket minskade tekniska specifikationer med cirka 50 %. Efter-uppgraderingen minskade underhållstiden per flygtimme för F-117 med mer än hälften, och de årliga underhållskostnaderna för alla 52 F-117:or sjönk från 14,5 miljoner,6,9 miljoner. Till skillnad från F-117 undviker F-22 radarabsorberande beläggningar för hela kroppen men applicerar ferritradarabsorberande beläggningar på alla interna och externa metallkomponenter. Denna beläggning är hållbar, slitstark och lättare att applicera jämfört med F-117:s system.
Experter förutspår att på 2030-talet kommer avancerade kompositer såsom ledande elektrokroma polymermaterial, hybridhalvledarmaterial, nanokompositer och intelligenta smygtekniker att vara praktiskt implementerade i flygplan. Dessa innovationer kan i grunden förändra flygelektroniksystem och flygplanskontrollmetoder.
Källa:Flygkompositmaterial och deras mekaniska analysav Haitao Cui och Zhigang Sun (red.)