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復合材料將影響未來飛行

經過幾十年的發展,復合材料在客機上的結構重量日益增加,如今已經開始廣泛應用于民用航空制造業,一些先進客機的復合材料重量已經超過金屬材料,占其總重量的50%以上,這也成了未來民機在材料選擇方面的一種趨勢。


在2012年的珠海航展上,一輛蘭博基尼新一代旗艦超級跑車Aventador與眾多波音機模一起現身波音展臺,吸引了眾人的眼球。而跑車與航空有何關系呢?原來,盡管在動力、尺寸和外形方面,噴氣式飛機和跑車可謂相去甚遠,但出于提升性能、降低油耗和排放的考慮,兩者不約而同地選擇了復合材料作為主要結構材料。波音787飛機與Aventador,正是這樣一對“復合材料至親”。


事實上,經過幾十年的發展,復合材料在客機上的結構重量日益增加,如今已經開始廣泛應用于民用航空制造業。一些先進客機的復合材料重量已經超過金屬材料,占其總重量的50%以上,這也成了未來民機在材料選擇方面的一種趨勢。


新寵




復合材料是指由兩種或兩種以上不同性質、不同形態的組分通過復合工藝組合而成的一種多相材料,它既保持了原組分材料的主要特點,又顯示了原組分材料所沒有的新性能,可以通過材料設計使各組分的性能相互補充并彼此聯系,從而獲得新的優越性能。


如今,復合材料已經成為航空材料的“新寵”。美國貝奇飛機制造公司曾制造出世界上第一架全復合材料飛機。它使用了耐熱性能好的碳纖維層,中間夾有環氧化物。這種復合結構要比目前普遍使用的鋁、鋼和鈦的合金材料輕一半,強度和耐熱性幾乎相同。正是因為擁有這些優點,世界民機制造巨頭波音和空客都在逐步加大復合材料在飛機上的使用比例,并且在復合材料的研發和生產上進行了大量的投入。




波音最新研制的波音787夢想客機所使用的材料中,復合材料占比有很大提升,達到50%,遠超過鋁所占的20%,其中主要以碳纖維增強型復合材料(CFRP)為主。而波音777中復合材料約占12%,鋁占50%。此外,波音747系列的新機型波音747-8洲際客機和747-8貨機也應用了很多新技術,其中就包括復合材料的使用。與波音777飛機一樣,波音747-8飛機廣泛采用新一代鋁合金,更重要的是,它還在襟翼、擾流板、短艙和方向舵中采用石墨復合材料。


波音的競爭對手空客是首家在大型民用飛機上廣泛采用復合材料的飛機制造商。在其從事民機制造的近30年來,空客飛機的復合材料結構重量日益增加,從最初的空客A300飛機的不足5%,到空客A380飛機的25%,再到空客A350XWB的53%??湛惋w機上第一次實現了復合材料的用量超過了金屬材料??湛虯350XWB的復合材料、輕金屬材料和硬金屬材料的比例分別是53%、20%和21%。被稱為“空中巨無霸”的空客A380則約有25%由先進輕質復合材料制造,其中22%為碳、玻璃或者石英纖維增強塑料,3%為GLARE(一種玻璃纖維——鋁層壓板)材料。


改變



 

復合材料的使用對航空制造業的改變是顯而易見的。以波音787為例,其擁有更高的燃油效率,單位碳排放也有所減少,這在很大程度上得益于CFRP的運用。CFRP由塑料基體(環氧樹脂)包圍的碳纖維組成,樹脂對纖維起到了支持和保護的作用,它的密度比鋁輕30%,比鋼輕50%,吸收碰撞能量的性能極強,在抗腐蝕、疲勞和老化等方面也有上佳表現。


作為集碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大優勢于一身的增強纖維,碳纖維的密度不到鋼的1/4,但抗拉強度卻是鋼的10倍。在將碳纖維重疊為纖維層的生產環節中,波音787采用了具有較強韌性的高韌性粒子,強化了在各層之間起到黏合劑作用的基體樹脂,大幅加大了飛機尤其是客艙的強度。




其中最引人注目的是碳纖維復合材料機身。波音787獨特的一體式復合材料機身桶省去了所有縱向蒙皮拼接件。有業內人士指出,波音787的機身段省去了1500塊鋁合金鈑料零件和4萬個~5萬個連接件。與傳統的板塊構造相比,復合材料的使用使得機體結構件尺寸更小,而且更加輕盈和堅固,維修成本也可節省30%。


這種材料可以像布料一樣剪裁,因此新的生產工序制造出的邊角余料和廢料減少了?,F有的飛機主要是鋁制的,必須將大片或大塊材料碾碎后機器加工,然后用來制造飛機結構。被用來制造飛機零部件的原材料中,通常有90%在生產過程中成為了邊角余料。雖然這些材料可以再循環,但盡可能避免浪費無疑是更好的辦法。波音787復合材料方案解決了這個效率問題。


空客A350XWB機型采用的增壓型多板式復合材料機體也是航空復合材料在使用方面的一項重大進展和成就,這項技術已在空客A380飛機上得到驗證??湛捅硎?,對于運營商而言,復合材料在運營期間不會有腐蝕和疲勞損傷,但對于受到外物撞擊(比如鳥撞),除了目視檢查外,還須進行額外的詳細無損評估(如采用超聲波、共振方法),并開展必要的修理。除了運營中的檢查需求外,復合材料在制造過程中也采用超聲波或X射線等無損檢測方法確保產品沒有缺陷。為此,空客通過與研究機構的合作,開發出了先進的無損檢測方法。


未來


   



根據全球管理咨詢和市場研究公司Lucintel的一份新的市場研究報告,新飛機的巨大需求和復合材料的高滲透率(占結構重量的50%以上)將推動復合材料在航空航天市場的發展。該報告稱,復合材料在商業航空、支線飛機、軍工、通用航空、直升機以及航空航天市場其他部門的總需求量預計在未來10年將達到418億美元。


巨大的需求令世界航空制造巨頭們紛紛加大了在復合材料研制和生產方面的投入力度。尤其是在航空業潛力巨大的中國市場,波音和空客通過各種方式,分別設立了復合材料的生產廠房。


早在1999年建立的天津波音復合材料有限公司(下稱“天津波音”)是波音中航工業合資建立的。目前波音持有天津波音88%的股權,中航工業則持有剩余12%的股權。2011年4月,其新廠房正式竣工,使天津波音生產復合材料的產能提高了60%。天津波音為所有波音在產機型生產復合材料零部件,包括波音737、波音747-8、波音767、波音777和波音787。按計劃,2013年投入全部產能之時,其月產將達到10000件,復合材料種類增加為850多種。


空客也很快在中國找到了突破口,2009年6月30日,哈爾濱哈飛空客復合材料制造中心新廠房破土動工。新廠房占地超過3萬平方米。新廠房建成后,將采用最先進的工藝和設備,生產碳纖維復合材料結構件。2010年7月2日,哈爾濱哈飛空客復合材料制造中心向空中客車西班牙工廠交付首個空客A320飛機升降舵工作包。2011年2月,復合材料制造中心新廠房在哈爾濱市正式落成并投入使用。新廠房將用于空客最新研發項目空客A350XWB部分復合材料零部件的生產制造。


當然,復合材料也不是萬能的。波音和空客通過循序漸進的方法擴大了復合材料在大型民用飛機上的使用范圍,同時還兼顧了金屬結構件的優點。復合材料并不適用于飛機所有零部件的制造,其優勢取決于部件所承受的載荷、應力類型以及部件的位置??湛腿栽诶^續開發先進的超輕型合金。


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