由于多種因素，復(fù)合材料在航空航天工程中越來越受歡迎。它們比金屬等傳統(tǒng)材料輕得多。減輕重量在航空航天工程中至關(guān)重要，因為它可以提高發(fā)動機(jī)性能并減少排放。輕質(zhì)復(fù)合材料可用于減少航空航天部門的財務(wù)支出和生態(tài)影響。
復(fù)合材料具有高度通用性，因為它們能夠模制成復(fù)雜的配置。不受傳統(tǒng)材料的限制，工程師可以根據(jù)特定飛機(jī)的要求定制零件。
復(fù)合材料還具有極強(qiáng)的耐候性和抗疲勞性，使其成為飛機(jī)制造的理想選擇。它們承受異常高溫的能力是一個主要優(yōu)勢，特別是對于航天器和再入飛行器的應(yīng)用。由于這些原因，復(fù)合材料被用于建造飛機(jī)和航天器的主要承重結(jié)構(gòu)，例如機(jī)翼、機(jī)身、起落架、發(fā)動機(jī)艙等。
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用于航空航天應(yīng)用的增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料
在過去幾年中，碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料以其緊湊的尺寸、優(yōu)異的耐用性和耐腐蝕性能成為航空航天和風(fēng)能設(shè)備的重要材料。由于密度低，碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料，也稱為碳/碳 (C/C) 復(fù)合材料，是輕質(zhì)復(fù)合材料的重要組成部分。
在空客A350和波音787這兩種廣受歡迎的遠(yuǎn)程飛機(jī)的機(jī)身中，超過一半是由CFRP制成。A380是第一款采用CFRP復(fù)合材料芯翼盒的飛機(jī)，與最先進(jìn)的鋁合金相比，重量減輕了1.5噸。
在Composites Part B上發(fā)表的最新文章中，作者報告了由碳化鉿納米線 (HfCNWs) 強(qiáng)化的致密碳纖維復(fù)合材料。將HfCNWs結(jié)合到C/C復(fù)合材料中導(dǎo)致了輕質(zhì) HfCNWs-C/C 復(fù)合材料的開發(fā)。評估了在1800°C、2100°C和2450°C溫度下退火后兩種類型復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。發(fā)現(xiàn) HfCNWs-C/C的機(jī)械強(qiáng)度保持率(MSR)大于 C/C。含有HfCNWs的C/C復(fù)合材料的質(zhì)量燒蝕率降低。這是因為HfCNWs的分解有助于消融過程中的重量增加。因此，它被證明是一種輕質(zhì)超高溫復(fù)合材料，具有出色的高溫效率，展示了在航空航天領(lǐng)域用作熱結(jié)構(gòu)部件的巨大潛力。
航空航天工業(yè)中的鎂和陶瓷復(fù)合材料
鎂復(fù)合材料具有多種用途，包括航空航天飛行器的發(fā)動機(jī)組件、制動元件和運(yùn)動軸。在F16飛機(jī)上，鋁制入口通道已被碳化硅顆粒增強(qiáng)的鎂復(fù)合材料取代，從而提高了疲勞壽命。
燃?xì)廨啓C(jī)葉片尤其需要耐高溫的材料。極輕的復(fù)合材料渦輪葉片可在大約 1050°C的渦輪排氣溫度下保持強(qiáng)度。
在汽車和航空航天領(lǐng)域，制動技術(shù)是目前的一個重要研究領(lǐng)域。在飛機(jī)上，制動機(jī)構(gòu)根據(jù)流經(jīng)圓盤（轉(zhuǎn)子和定子）的液壓流體進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)生摩擦，將陶瓷復(fù)合材料部件體積的外部溫度提高到3000°C至1500°C之間。在商用客機(jī)制動系統(tǒng)中使用這種材料可以減輕經(jīng)濟(jì)重量。
波音公司正在開發(fā)用于商用飛機(jī)的復(fù)合材料Nextel 610/鋁硅酸鹽排放噴嘴和聲學(xué)結(jié)構(gòu)。GE航空公司在陶瓷復(fù)合材料方面投入了大量資金，F(xiàn)414發(fā)動機(jī)的分流排放密封最初由陶瓷Ox/Ox復(fù)合材料制成。
航空航天工業(yè)中的自修復(fù)復(fù)合材料
根據(jù)發(fā)表在Polymers雜志上的最新文章，自修復(fù)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域越來越受歡迎。復(fù)合材料的劣化是由沖擊載荷引起的。沖擊損壞從微小的空腔開始，然后發(fā)展到嚴(yán)重的微觀開裂和結(jié)構(gòu)破壞。由于其增強(qiáng)的細(xì)胞流動性，聚合物及其復(fù)合材料已成為無處不在的自修復(fù)材料。
共靜電紡絲已被用于制造在界面處具有自修復(fù)核殼納米纖維的混合多尺度聚碳酸酯復(fù)合材料。在層壓復(fù)合材料中，當(dāng)發(fā)生分層等界面損傷時，芯殼設(shè)計為可自我修復(fù)。含有修復(fù)劑的微膠囊已添加到用于航空航天的碳纖維增強(qiáng)塑料 (CFRP) 復(fù)合材料中，以避免分層破損。
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自修復(fù)復(fù)合材料通常用作機(jī)身、機(jī)翼、內(nèi)燃機(jī)、葉柵等航空結(jié)構(gòu)中的保護(hù)層或障礙物。碳基體中的硅和硼基結(jié)晶成分也被用作自愈材料。
納米復(fù)合材料在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用
Nanotechnology Reviews上發(fā)表了一篇重點介紹納米復(fù)合材料在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用的文章。由納米二氧化硅和乙丙二烯單體 (EPDM) 橡膠組成的納米復(fù)合材料被用作熱阻物質(zhì)，用于在發(fā)射期間保護(hù)航天器的結(jié)構(gòu)部件。已經(jīng)對用納米復(fù)合材料替代固體火箭發(fā)動機(jī) (SRM) 中的傳統(tǒng)聚合物基復(fù)合材料進(jìn)行了研究。為了提高隔熱性，熱塑性聚氨酯彈性體納米復(fù)合材料(TPUN)已被用于取代SRM中的傳統(tǒng)凱夫拉增強(qiáng) EPDM。
納米復(fù)合材料可拉伸傳感器的制造用于變形飛機(jī)的SHM，用于跟蹤航空航天變形系統(tǒng)中裂縫的發(fā)展是另一個重要的應(yīng)用。
使用碳納米管增強(qiáng)PP納米復(fù)合材料，構(gòu)建了受自然影響的微型飛行器的撲翼概念。實驗分析表明，人工構(gòu)建的翅膀的原始頻率與蜻蜓翅膀的共振頻率非常相似。
根據(jù)發(fā)表在Polymers雜志上的研究，磁性聚合物納米復(fù)合材料也進(jìn)入了航空航天領(lǐng)域。采用磁化金屬納米粒子處理聚合物基復(fù)合材料作為電磁干擾屏蔽材料。已經(jīng)開發(fā)出基于輔以無機(jī)物質(zhì)的聚合物基質(zhì)納米復(fù)合材料的涂料和顏料。
這種方法有幾個好處，包括經(jīng)濟(jì)成本、可比的制造簡單性以及堅固輕質(zhì)材料的生產(chǎn)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 (SHM) 是確定航空航天部件結(jié)構(gòu)完整性的基本方法。無機(jī)/有機(jī)復(fù)合壓電材料是航空航天傳感儀表的可行元件。
航空復(fù)合材料市場概況
根據(jù)Marketsandmarkets發(fā)布的報告，全球航空復(fù)合材料市場在 2022 年估計為 297億美元，預(yù)計到2027年將達(dá)到516億美元，從2022年到2027年的復(fù)合年增長率為11.7%。由于航空復(fù)合材料具有卓越的性能特點，可以承受惡劣的條件，因此市場正在擴(kuò)大。此外，全球?qū)?jié)油型飛機(jī)的需求不斷增長，預(yù)計將在短期內(nèi)推動市場擴(kuò)張。
