【科普知識】飛機都是用什么材料做的?復合材料是未來趨勢

在現代,大家所乘坐的民航客機,早已使用了高端的復合材料,確保了優良的飛行性能和足夠的安全性。但回顧整個航空發展史,最初的飛機,用的都是些什么材料呢?從要滿足長時間飛行和載荷足夠的要素來看,制造飛機的材料必須得輕便牢固,同時它還得方便人們改造加工,做到耐高溫和耐腐蝕等多項要求。看起來,選擇合適的航空材料并不是一件容易的事。 人類歷史上第一架飛機,是萊特兄弟在1903年制造的飛行者一號,在當時的科技水平下,他們選用了成本低廉又便于加工的木頭。再到后來一戰爆發,很多戰斗機的外皮也仍然使用的是木質膠合板。直到1915年,德國的雨果·容克,用鋁合金造出了世界上第一架結構全部使用金屬的飛機。這一舉動改變了航空材料的發展前景,到了現代,塑性良好、輕便牢固還成本低廉的鋁合金,一直被廣泛使用在各種飛機的制造上。 不過鋁合金還有和它類似的鎂合金,有一個缺點就是不夠耐高溫,最多只能承受100多度的溫度,而飛機發動機的溫度更高,這個時候,就只能讓更加耐高溫的鋼材出馬了。另外,它們的堅硬程度也不如鋼,像飛機各個部件比如機翼和機尾接頭的這類地方,對材料的承重性要求很高,最適宜使用的也是耐高壓的鋼材。用超過三倍音速的速度震驚美國的,前蘇聯戰斗機米格-25,就是靠著80%合金鋼的結構,才達到了這樣的強度。 但是鋼材實在是太重了,一般飛機上,都不會大面積使用鋼材。隨著航空材料學的科研突破,人們發現了更優秀的材料——鈦合金,它集耐高溫、輕便、耐高壓和耐腐蝕等優點于一身。不過這樣優秀的材料,它的冶煉也是比較費力的,而且由于耐高溫和耐高壓,相比于鋁鎂合金,它并不是那么容易地就可以進行塑型再加工。不過上個世紀60年代,美國還是用鈦合金搞出了一臺偵察機SR-71,和米格-25一樣,SR-71的飛行速度也超過三倍音速。 隨著航空材料學的不斷發展,人們開始越來越多地使用起復合材料來,使用兩種及以上的復合材料,結合了不同材料的優勢,還能抵消它們各自的劣勢。不同于傳統的合金,近年來飛機上所用的復合材料,大都使用更加輕便的樹脂基和碳纖維或玻璃纖維組件混合。比起合金,它們更加便于改造加工,完全可以按照設計圖來制定不同部位的強度。還有一個優勢就是,它們比金屬更便宜。在國際民航市場上大受好評的波音787客機,就大規模使用了復合材料。 毫無疑問,復合材料是航空材料學領域在未來的重點研究方向,幾種材料結合的模式,會創造出一加一大于二的成果,比起傳統材料,它擁有更多可能性。未來的客機,以及更為高精尖的導彈、火箭和飛船等航天載具,都對材料的適應性和創新性有更高的要求。那個時候,也只有復合材料可以勝任。但是,傳統材料肯定也不會那么快就退出歷史舞臺,它們也擁有復合材料所沒有的優勢。就算現在的客機,50%都是復合材料,剩下的部分還是需要傳統材料。 不過,我們也可以暢想一下未來,隨著更多全新復合材料的誕生,航天載具的性能也許會發展到,超乎你的想象。到那個時候,可能我們乘坐一架客機跨越洲際,甚至不用幾個小時。

2021/05/28

【科普知識】碳纖維在高鐵、地鐵巴士和新能源汽車領域中的應用

碳纖維復合材料與地鐵巴士: 作為一種全新的公交類型,“地鐵巴士”因乘車和運行方式與地鐵相同而得名。近年國內市場涌現的地鐵巴士多具有“一步登乘、全平地板、大通道”等基本特征,除了高速便捷和舒適安全等優勢之外,這種城市公共交通工具更追求低耗能的綠色環保功能。在車體材料中大量使用碳纖維復合材料對減輕車體自重有非常積極的作用。以國內最新發布的一款碳纖維復材地鐵巴士為例,其100%采用國產碳纖維復合材料,整車輕量化減重可達到2600-3000kg,乘車效率至少提升50%,同等座位數站立面積提升60%以上,能耗大幅降低,在實現經濟高效運營的同時,成功實現了節能減排的目標,助力公共交通產業的綠色低碳發展。 碳纖維復合材料與高鐵車輛: 據行業專家預測,如果碳纖維復合材料能夠在原材料價格和工藝成本上“更接地氣”一點,那么這種高性能先進復合材料在高鐵中的應用還有相當大的發展空間,未來碳纖維復合材料在高鐵中的應用比例也許會達到30%左右。就目前的應用情況看,碳纖維復合材料能夠充分滿足軌道車輛內飾件及非主要承載力結構件對強度、剛度、減重等方面的基本要求。在大部分的艙內部件,如車體壁板、廁所、盟洗室、座椅、水箱等部位中,碳纖維復合材料不僅減重,還體現出更為理想的耐疲勞和耐腐蝕性優勢。隨著碳纖維材料應用技術的進步,其在高鐵車輛中的應用也在不斷擴展。國內碳纖維零部件制造商智上新材料在長達五年的碳纖維高鐵零部件制作基礎上,已開始批量化生產碳纖維高鐵司機駕駛艙系列部件,包括碳纖維司機控制臺面板及駕駛室組合部件等。 碳纖維復合材料與新能源汽車: 對于傳統燃油汽車來說,車體自重每減少10%,汽車的燃油效率就能夠提高6到8個百分點,有實驗數據證明,汽車每減少100kg重量,在行駛100km行駛路程中可節省0.3-0.6L油耗,二氧化碳排放會相應減少約500g。對于新能源汽車來說,輕量化的意義更加重大,因為新能源汽車的續航能力是其目前的軟肋。采用碳纖維復合材料替代傳統的金屬材料是新能源汽車減輕自重最有效的方式之一,碳纖維復合材料不僅重量輕強度大,良好的吸能效果也是其重要的應用理由。當汽車在迎接撞擊時,碳纖維復合材料能很好地吸收由碰撞產生的巨大沖擊力,并起到良好的緩沖減震效果,減少因撞擊產生的碎片,有效提升汽車的安全性能。

2021/05/12

【復材資訊】這種折疊輪椅竟然可以當做隨身行李被帶上飛機,由復合材料打造!

可折疊輪椅并不是一個新概念。實際上,它有多種型號,但是沒有一個可折疊的輪子可以使輪椅節省60%的空間。 Revolve-wheel(德國慕尼黑)與 DEXET Technologies(英國倫敦)兩家公司合作將革命性的輪椅設計與復合材料工藝結合在一起,研發了一款輕便、旅行友好型產品——折疊輪椅。據稱其是世界上第一款符合通用艙行李大小限制標準的主動輪椅,創新的設計讓您節省更多空間,折疊時占用空間減少60%。 如相關人員所說,設計折疊輪椅的目的是“為每天上下班和旅行的活躍輪椅使用者提供全新的獨立性”。據報道,當涉及到公共交通以及空間限制(無論是乘坐飛機,火車還是通過緊湊型汽車)時,即使是主動輪椅使用者的常規出行也可能會變得很棘手。特別是在機場,輪椅使用者經常需要協助,必須提前預訂才能旅行-登機。輪椅將被分解并移至貨艙后才能登機,所有這些都會增加等待時間和額外費用。此外,航空公司的疏忽將導致每年損壞成千上萬的輪椅。 研究人員致力于提高功能性和高性能的輪椅移動性。折疊輪椅最初是在工作室被發明、設計和生產的。這款折疊輪椅擁有專利,可以折疊并用作飛機手提行李的輪椅,無需等待幾個小時即可在機場辦理登機手續。它還將避免因損壞的椅子而被退還的風險,大大減少輪椅使用者在空間受限的交通環境中旅行所花費的時間和精力。 已與高性能工程和復合材料專家建立了合作伙伴關系,從而將初始設計和原型轉變為完整的成品。復合材料專家將運用其復合材料和制造專業知識,以及在一級方程式賽車和高性能汽車項目中的背景知識,以方便開發出更輕,更結實,更靈活的輪椅。 相關人員表示,“最初交談時,我們對他對機動性的承諾以及實現高性能輪椅的新時代想法感到敬佩。研究人員要將原型轉變為一種產品,該產品不但要實現輕便、堅固、又有質感,而且要可持續、經久耐用。” 目前,這款折疊輪椅作為第一款主動式輪椅,使用戶能夠自行移動,與手動輪椅相比,這款折疊輪椅提供更大的輪子,更低的靠背和更輕的重量。當折疊成足夠緊湊的形狀時,適用于標準的通用機艙行李空間。當輪子和框架都折疊時,該設計可節省60%的體積空間,以便于存放在小行李箱,緊湊型汽車的乘客座位或飛機上的高架行李中。 此外,由于可輕松折疊和處理,這款折疊輪椅可以在單程飛機旅行中節省多達三個小時的時間,從而幫助用戶通過登機手續,安全性和其他流程來減輕用戶負擔,并有可能減少需要付費協助。 目前希望這款折疊輪椅將成為首個通過認證的手提輪椅,可作為國內和國際航班的隨身行李。它還配備了革命性的租賃空間,以改善世界各地國際和國家機場的輪椅服務,因此可以在租賃的基礎上使用。 此公司表示,其現階段的目標是將這款折疊輪椅作為一個限量運行的系列,為要求非常高的客戶開發了不超過50輛高質量的輪椅。這個小批量生產系列將使用標準的預浸材料制造,待使用的鋼筋和樹脂系統仍在評估中,以及高壓釜固化,還將試驗納米材料以及其他材料。 這個限量運行的系列也將有助于優化用于大批量生產這款折疊輪椅的設計,該產品仍將包含復合材料。目前仍在歐洲和英國尋找小批量和大批量生產的潛在供應商,他們希望能與同樣熱衷于提高流動性的個人、公司和協會合作。限量運行的系列的原型生產預計將于2021年底開始,用于內部測試和開發。 展望未來,在空間受限的環境中旅行或上下班時,高性能輪椅將為用戶提供更高的獨立性。此外,該項目有望繼續受益于復合材料帶來的優勢。 “復合材料的未來非常有希望,但是到目前為止,該技術僅適用于高性能和高成本的產品。作為一個團隊,我們很高興能將我們的知識不僅用于一級方程式賽車和超級跑車項目,而且還用于在通常被認為更傳統的行業中開發產品。” 相關人員說,“我認為這是復合材料應用的未來所在。借助這款折疊輪椅,我們致力于為所有人帶來移動性方面的進步,無論他們身體是否健全。” 文章來源:復材指聞

2021/04/13

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