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战斗机用复合材料限制大:怕高温、鸟撞,连机务掉扳手都怕

虽然复合材料有着诸多好处,但是波音787仍然保留了20%的铝,15%的钛,10%的钢,这是复合材料不耐高温、不耐冲击的特点所决定的。碳纤维本身虽然不怕热,但是将其粘结成型的树脂基体却很难耐受高温;尤其是波音787上普遍使用的环氧树脂类产品,一般最大工作温度不高于150摄氏度。

F22由于存在超声速巡航需求,飞机外表会长时间与空气高速摩擦;因此在机翼复合材料上不惜使用韧性更差、更不耐冲击的双马来酰亚胺树脂基体以获得260摄氏度的最大工作温度。波音787的钛、钢结构中,就有相当一部分是用于发动机吊架等高温结构。

图:发动机吊架等部位不能使用复合材料

图:F111战机撞鸟以后,复合材料雷达罩结构彻底崩溃

波音787上的铝合金结构主要承担的则是预防飞鸟撞击的功能,以避免复合材料在高能量冲击下直接解体引发灾难性事故。F22上也有过类似的反复:它的机翼大梁等核心承力结构最初计划使用复合材料,但试验证明它抗机炮破坏的能力远远无法达到要求,最终又换回了钛合金材料。这源自于复合材料的两个缺陷:首先它一层与一层之间的结合力非常薄弱,而一旦出现分层的情况,就会对其整体性能造成严重的破坏。其次用以粘结碳纤维、形成复合材料整体的树脂基体的韧性都很差。

图:波音787铺设复合结构机身,图中黑色束状物就是由预浸过树脂的碳纤维所组成

图:波音787的一个机身分段主结构件,这个状态下还没有任何的紧固件

事实上比起飞行中撞鸟、或者挨上几发炮弹这种概率比较低的情况,复合材料结构往往更怕的是日常的低能量冲击:比如被维修人员失手掉下的扳手给砸了——这就足以导致它形成内部的层间缺陷,然而从外表却很可能根本看不出痕迹。当一个复合材料部件的冲击损伤在表面已经可以勉强目视发现时,它内部已经出现大范围的基体开裂和分层,强度可以骤降到无损状态的40%。事实上飞机复合材料部件最多的损伤就是在维护过程中各种碰撞、拆卸而产生的。

在传统的钢、钛、铝合金部件加工过程中,人们几乎不需要考虑中毒的问题,环境污染也很易于控制,但是对复合材料部件生产来说这就完全不同了。虽然碳纤维本身主要是腈纶纤维碳化以后剩下的单质并无毒性,作为复合材料基体的树脂类材料也多数无毒或者低毒;但是促使液态树脂的小分子交联成三维立体高分子变成固体结构的固化剂,以及各种有机溶剂、助剂,它们带来的毒性和污染问题一直比较严重。

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