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航空中的碳纖維材料:不是金屬,勝過金屬

時間:2020年01月13日   來源:微信@航空知識
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  金屬一直以來都是機械制造中的主力,因為金屬的強度、剛度要遠遠好于塑料、橡膠、木材等等非金屬材料,所以很長一段時間內,金屬的作用很難被替代。但是隨著材料學的發展,金屬已經不再是我們的唯一選擇,甚至于有大量的非金屬材料因為有他們的“獨門絕技”所以被應用到航空發動機中,比如說陶瓷材料,就因為其極佳的耐高溫性能而有可能在未來的航空發動機高溫部件中得到使用。

 

  

  △陶瓷基渦輪葉片△

 

  我們今天不說陶瓷,而說另外一種神奇的非金屬材料:碳纖維。

 

  

  △這就是碳纖維△

 

  航空航天工業為何青睞碳纖維?

  如果我們希望航空發動機可以制造的足夠輕盈,那么如何在條件允許的情況下盡量減小材料的密度是一個很好的方法。當年的鈦合金就是因為輕質,并且在剛度、強度和高溫性能合格,現在已經是一種被廣泛使用的優秀航空材料。

  但是金屬畢竟是金屬,即便是像鎂鋁合金那樣的材料,密度也只是堪堪做到2000kg每立方米左右,而且金屬材料都有一個很嚴重的問題,那就是金屬有疲勞問題,當金屬材料內部受到變化的力的時候,只要這個力足夠大、作用的時間足夠長,那么材料就會產生微裂紋,然后這樣的裂紋會快速變長、直到整個材料都裂開。

 

  

  △金屬材料的疲勞裂紋△

 

  所以這個時候一種新材料:碳纖維,出現在工程師們的視野中。

  這種材料首先有一個最明顯的優點:輕。碳纖維密度一般在1400~2000kg每立方米,經過環氧樹脂強化的碳纖維密度也不過1600kg每立方米而已,遠遠好于金屬材料。

 

  

  △往往需要通過環氧樹脂將多層碳纖維粘黏在一起△

 

  而且這種材料抗拉強度極高,想要拉斷高強度碳纖維材料需要用拉斷同樣橫截面積鋼鐵的力的兩到四倍。

 

  

  △碳纖維(后三行)與金屬材料的對比△

 

  另外,碳纖維跟金屬材料不一樣,碳纖維材料并沒有所謂的“疲勞強度”的概念,也就是說變化的力對于金屬材料來說是一種威脅,需要重點關注,但是放在碳纖維這里卻不叫什么事情。上面這些優點對于航空器材可以說是至關重要,因為這些東西是要飛上天的,所以自然是越輕越好,而且像航空發動機這樣的裝置,需要承受巨大、復雜的載荷,工作狀態下零件內部會分布有復雜變化的載荷,有這么一種密度小、強度高、抗疲勞能力強的材料簡直就是如有神助。

  碳纖維被廣泛用在飛機和火箭上

  碳纖維由于具有上述優點,所以在航空航天領域的應用非常廣泛,比如說碳纖維可以被用來制造火箭的燃料儲藏罐,比如說可以用來制造飛機的外殼,等等。尤其是現在先進民用客機制造中,碳纖維的使用比例已經超過了50%。

 

  

  △SpaceX公司制造的世界上最大的碳纖維燃料儲存罐△

 

  

  △波音787外殼大量使用碳纖維材料(藍色)△

 

  然而,雖然碳纖維有很多優點,也確實在火箭、飛機結構上得到了廣泛的應用,但是在航空發動機上的使用卻有很多問題。

  碳纖維在航空發動機上的應用:風扇葉片

  雖然碳纖維,想要在航空發動機中使用碳纖維材料卻不是那么容易,因為航空發動機除了載荷大且復雜之外,還有兩個很致命的問題:

  1.發動機太熱了

  2.發動機對結構變形控制很嚴

  航空發動機的運轉離不開大量燃料的燃燒,所以必然會產生極高的溫度,比如說發動機渦輪前的溫度可以高達2000℃。而碳纖維雖然也能夠承受一定的高溫,但是在這樣程度的高溫下卻依然顯得無能為力,尤其是環氧樹脂本身很難承受200℃以上的高溫。另外,航空發動機分為一靜一動兩個部分,也就是“靜子”和“轉子”,靜子不動,轉子高速轉動,動靜之間要求配合嚴絲合縫——這也就是我們所說的“轉靜子間隙控制”。

 

  

  △發動機轉動件和靜止件之間間隙要求很高△

 

  而碳纖維材料雖然說強度很高,但是剛度不足,這也就意味著一旦發動機工作起來碳纖維做的零件會發生更大的變形,帶來轉靜子之間配合狀態的改變。尤其是在壓力比較高的地方,一點點的縫隙都有可能造成安全問題和性能下降。所以碳纖維材料在航空發動機中的應用相對較少,使用的位置主要是:風扇葉片。也就是我們平時坐飛機時能夠看到的跟電風扇一樣的那個東西。

 

  

  △航空發動機上的第一級風扇葉片△

 

  風扇葉片這個位置距離燃燒室較遠溫度很低(事實上就是環境溫度),而且這個位置壓力比較低、對間隙控制沒有那么嚴格。同時,這些葉片體積足夠大,方便了碳纖維材料的加工,使用碳纖維材料也可以最大程度上發揮材料密度小的特點。如果是在那些小葉片上采用碳纖維材料,不光加工起來費勁的不行(碳纖維葉片制造過程中的很多步驟都要依靠手工),替代完了發現重量沒減少多少,實在是不值當。

 

  

  △巨大的葉片一個成年人可以輕松舉起△

 

  而且這種神奇且美麗的材料在這個位置居然真的發揮出不可替代的作用,這背后自然離不開工程師們的努力。但是時間有限,想要聽碳纖維葉片的故事,請聽下回分解~

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