淺析纖維材料對(duì)現(xiàn)代航空發(fā)展的推動(dòng)作用

伏雨佳

摘 要：現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展，離不開材料學(xué)研究的不斷進(jìn)步。從早期的熱氣球、螺旋槳飛機(jī)、旋翼直升機(jī)、空中客機(jī)、噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)等，直至目前最為先進(jìn)的第四代隱身戰(zhàn)機(jī)，這些都使用到了不同的材料類型。其中，纖維材料的應(yīng)用對(duì)現(xiàn)代航空業(yè)發(fā)展的推動(dòng)作用最為明顯。本文以現(xiàn)代航空業(yè)中纖維材料的應(yīng)用為研究?jī)?nèi)容，通過幾個(gè)典型應(yīng)用的分析，使人們認(rèn)識(shí)到纖維材料對(duì)現(xiàn)代航空業(yè)發(fā)展的積極影響，以期能夠加深人們對(duì)于現(xiàn)代材料學(xué)發(fā)展的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：纖維材料 現(xiàn)代航空 發(fā)展 推動(dòng)

中圖分類號(hào)：TS102 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）10（a）-0084-02

在現(xiàn)代航空業(yè)的發(fā)展過程中，材料學(xué)給其提供了巨大的支持，隨著新型材料的不斷出現(xiàn)，大量新的材料被應(yīng)用到了航空領(lǐng)域，促進(jìn)了航空器的更新?lián)Q代。目前，在現(xiàn)代航空領(lǐng)域的相關(guān)材料應(yīng)用方面，纖維材料得到了一定程度的普及，并且，隨著纖維材料研究的持續(xù)進(jìn)行，不僅其種類有著明顯增加，而且其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也顯著擴(kuò)大。

1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能及應(yīng)用

在眾多的纖維材料中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空發(fā)展中的應(yīng)用最為廣泛，其在航空發(fā)展中的應(yīng)用，可以在多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了航空器的優(yōu)化。

1.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能

相比較于其他的纖維材料來說，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要性能在于其較高的比強(qiáng)度和比模量，在相同設(shè)計(jì)要求的情況下，大面積地使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料能夠保證航空器在高速飛行的過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。尤其是對(duì)于民航客機(jī)來說，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料能夠更好地應(yīng)對(duì)惡劣天氣條件下的飛行顛簸、冰雹、結(jié)冰等問題，從而避免因航空器結(jié)構(gòu)失效所帶來的災(zāi)難性后果。

除此之外，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為一種高比強(qiáng)度的材料，其還擁有其他纖維材料所不具備的超高韌性，強(qiáng)度和韌性并不是一對(duì)矛盾的存在，強(qiáng)大的韌性基礎(chǔ)賦予了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷容限，使其能夠應(yīng)對(duì)更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

1.2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

以波音747-X Stretch為例，該型號(hào)飛機(jī)屬于現(xiàn)代民用航空技術(shù)的尖端產(chǎn)品，582人的載客量創(chuàng)造了民用航空領(lǐng)域的奇跡，這意味著波音747-X Stretch的起飛重量將高達(dá)42.5t，但其卻僅依靠96.6m的翼展將這一重量帶到空中，關(guān)鍵技術(shù)就是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在機(jī)翼設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。該機(jī)依托纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的超高比強(qiáng)度，以及該類型材料所特有的柔性特征，從而使單位長(zhǎng)度的機(jī)翼能夠經(jīng)受住約1t的重量，瞬時(shí)重量耐受范圍≤103t。由此可見，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是推動(dòng)現(xiàn)代民用航空業(yè)朝著更大、更快、更強(qiáng)方向發(fā)展的主要力量。

2 碳纖維材料應(yīng)用下的航空輪胎發(fā)展

在一些視頻中我們經(jīng)?？梢钥吹剑w機(jī)在降落的瞬間，輪胎與跑道會(huì)摩擦出大量的白煙，由于飛機(jī)的飛行速度較快，且重量較大，所以其無論以何種方式著陸，輪胎都要與軌道發(fā)生直接的接觸，進(jìn)而產(chǎn)生磨損。并且，這種磨損與飛機(jī)降落的角度、載重量、速度等相關(guān)因素有著一定的關(guān)系。

根據(jù)物理學(xué)知識(shí)我們能夠分析出，飛機(jī)在下落的過程中主要受兩個(gè)方向的力的作用，一個(gè)是垂直方向上的重力，另一個(gè)就是水平方向上的力，這兩個(gè)力都會(huì)在一定程度上造成輪胎的磨損。由于技術(shù)條件的限制，所以傳統(tǒng)飛機(jī)輪胎的設(shè)計(jì)壽命較短，尤其是隨著飛機(jī)重量的增加和速度的提升，使得傳統(tǒng)輪胎的材料和制作工藝無法滿足現(xiàn)有的要求。在這種情況下，以碳纖維材料為代表的新一代航空輪胎開始走進(jìn)人們的視野中。

現(xiàn)代航空輪胎的設(shè)計(jì)依托于有限的元數(shù)據(jù)分析方式，通過對(duì)傳統(tǒng)航空輪胎出現(xiàn)胎肩磨損、胎面橡膠過度磨損等問題進(jìn)行反復(fù)研究，在完善相關(guān)工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)橡膠材料加以改進(jìn)，并利用高模量碳纖維材料作為子午線的主要材料，從而取代傳統(tǒng)輪胎中普遍適用的尼龍線束，利用碳纖維材料的耐磨損、抗拉性強(qiáng)等特點(diǎn)，從而減小飛機(jī)降落時(shí)的輪胎形變量，并使?jié)L動(dòng)摩擦代替靜摩擦，從而降低摩擦的損耗，延長(zhǎng)航空輪胎的壽命。

這里需要注意的是，由于碳纖維材料的價(jià)格較高，所以需要考慮到成本等問題，并結(jié)合實(shí)際使用的需要，對(duì)碳纖維材料的使用進(jìn)行分級(jí)，以實(shí)現(xiàn)民用航空公司效益的最大化。

3 石英纖維在航空工作發(fā)展中的應(yīng)用

眾所周知，當(dāng)人類進(jìn)入到噴氣式時(shí)代之后，關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究就從未停止，推重比是衡量航空發(fā)動(dòng)機(jī)水平的一個(gè)重要指標(biāo)。然而，隨著推重比的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的尾焰溫度也將隨之增加，在此情況下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的末端將承受持續(xù)性的高溫?zé)g，傳統(tǒng)材料無法經(jīng)受住如此高的溫度。因此，關(guān)于這一領(lǐng)域的材料研究限制了諸多國家在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展。尤其是以美國F-35為代表的第四代隱身戰(zhàn)斗機(jī)，其引以為傲的矢量推進(jìn)器就是克服了這一難題。

為克服航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的增加所帶來的高溫?zé)g，研究人員將石英纖維作為發(fā)動(dòng)機(jī)尾管的主要材料，并通過符合的金屬纖維加快了發(fā)動(dòng)機(jī)尾管的散熱，從而在保證石英纖維正常工作的情況下，避免了因長(zhǎng)期高溫所產(chǎn)生的熱損傷現(xiàn)象。盡管，石英纖維的耐高溫特性較為突出，但是在實(shí)際的使用過程中，依然需要根據(jù)石英纖維的熱損傷情況，及時(shí)更換相應(yīng)的部件，否則在超出石英纖維承受范圍的情況下，將出現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾管表面剝落的現(xiàn)象，進(jìn)而威脅到航空安全。

4 有機(jī)纖維材料的應(yīng)用與無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展

在現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展過程中，依靠材料學(xué)研究的不斷進(jìn)步，以及現(xiàn)代電子科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，無人機(jī)成為新時(shí)期航空工業(yè)發(fā)展的又一重要方向，并已在民用和軍用兩個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境的需求，無人機(jī)對(duì)其重量可謂是錙銖必較，在同樣的情況下，只有重量較輕，才能夠使無人機(jī)的升限和滯空時(shí)間得到改善。為此，現(xiàn)代纖維材料技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無人機(jī)領(lǐng)域，尤其是一些以太陽能為動(dòng)力的旋翼無人機(jī)，其碳纖維材料的應(yīng)用率甚至高達(dá)99.3%，由此可以看出纖維材料對(duì)無人機(jī)航空發(fā)展的重要意義。

然而，隨著材料學(xué)研究的不斷深入，以有機(jī)纖維材料為代表的新一代纖維材料被廣泛應(yīng)用于無人機(jī)航空領(lǐng)域，相比較于碳纖維材料來說，有機(jī)材料的單位密度較小，且具有較高的物理特征穩(wěn)定性，能夠應(yīng)對(duì)各種不同的天氣情況。之所以使用有機(jī)纖維材料來代替碳纖維材料，其目的是為了降低無人機(jī)的制造成本，如此就可以便于無人機(jī)的大規(guī)模生產(chǎn)和使用。

但是，相比于碳纖維材料，應(yīng)用有機(jī)纖維材料的無人機(jī)的抗電磁干擾性能較差，這導(dǎo)致了有機(jī)纖維材料在無人機(jī)中的應(yīng)用占比僅為64%左右，而其他關(guān)鍵點(diǎn)位依然需要使用抗輻射、抗干擾性能較強(qiáng)的碳纖維材料。所以，關(guān)于有機(jī)纖維材料的研究仍然有待改進(jìn)，在現(xiàn)有特性的基礎(chǔ)上，還需要提升有機(jī)纖維材料的電磁屏蔽性能，從而使其在無人機(jī)航空領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。

5 結(jié)語

在現(xiàn)代航空的發(fā)展過程中，以纖維材料為代表的材料學(xué)研究正在深入進(jìn)行，并實(shí)現(xiàn)了航空工業(yè)發(fā)展的多元化。其憑借著自身良好的特性，廣泛地應(yīng)用于不同類型的航空器中。在降低航空器質(zhì)量、增加航空器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、提升航空器的抗電磁干擾能力等方面都有著較為突出的表現(xiàn)。我們有理由相信，隨著纖維材料的大規(guī)模應(yīng)用，現(xiàn)代航空工業(yè)將得到更加廣闊的發(fā)展。

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