復(fù)合材料是指由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料,它既能保留原有組分材料的主要特色,又通過材料設(shè)計使各組分的性能互相補充,并彼此關(guān)聯(lián)與協(xié)同,從而獲得原組分材料無法比擬的優(yōu)越性能。
伴隨著武器裝備的不斷發(fā)展,對減重、隱身、耐沖擊、耐高溫等性能要求越來越高,傳統(tǒng)材料越來越難以滿足多項要求,復(fù)材成為軍事裝備發(fā)展的重要基礎(chǔ),其應(yīng)用水平已成為衡量武器裝備發(fā)展的先進性標準之一。
總的來看,復(fù)材技術(shù)與裝備發(fā)展相輔相成,互相促進,即復(fù)材制備與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展推動了裝備升級,裝備不斷發(fā)展也倒逼了復(fù)材技術(shù)不斷進步。
隨著國內(nèi)外復(fù)合材料的設(shè)計與加工能力逐步上升,成本逐步下降,未來復(fù)合材料在武器裝備的應(yīng)用將會逐步提升。
美國與日本是較早開展復(fù)材制備與應(yīng)用的國家,技術(shù)較成熟,在武器裝備與民用航空中應(yīng)用比例較高。
隨著國內(nèi)裝備不斷發(fā)展,復(fù)材制備技術(shù)的逐步成熟,裝備中復(fù)材應(yīng)用比例也在不斷提升,但總體水平與國外仍存在差距,未來仍有較大提升空間。
隨著增強材料、基體以及復(fù)材制備技術(shù)發(fā)展,復(fù)合材料在軍用飛機上的用量逐步提升。
據(jù)2006 年發(fā)表的《飛機結(jié)構(gòu)用先進復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展》文獻,2000年以后世界先進軍機上復(fù)合材料的用量占全機結(jié)構(gòu)重量的20%~50%不等。復(fù)材在國外軍用戰(zhàn)斗機上的應(yīng)用經(jīng)歷了“小受力件→次承力件→主承力件→起落架應(yīng)用”4 個階段,從初期只能應(yīng)用于受力較小的部件,發(fā)展到目前已經(jīng)能夠應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)件以及起落架上。
第一階段:主要用在艙門、口蓋、整流以及襟副翼、方向舵等受力比較小的部件上,應(yīng)用比例可達3%。
第二階段:復(fù)合材料開始應(yīng)用于軍機的垂直尾翼、水平尾翼的壁板等次承力結(jié)構(gòu)件上,這一階段復(fù)材應(yīng)用比例可達5%。
第三階段:復(fù)合材料逐步應(yīng)用在軍機的機翼、機身等主要承力結(jié)構(gòu)上,復(fù)材應(yīng)用比例達20%~50%。
第四階段:復(fù)合材料在起落架上的應(yīng)用,由于在起落架上的應(yīng)用是替代鋼件而不是鋁件,因此進一步提升了減重空間。
我國四代機之前,復(fù)材的應(yīng)用范圍僅限于尾翼、鴨翼等次承力結(jié)構(gòu)上,用量占比不到10%,四代機復(fù)合材料用量有了明顯突破,復(fù)材用量達到整機結(jié)構(gòu)件的20%左右。
為了盡可能減重,無人機大量應(yīng)用了復(fù)材,且用量普遍高于有人戰(zhàn)斗機,一般在60%~80%之間。
無人機具有:低成本、輕結(jié)構(gòu)、高機動、大過載、長航程、高隱身的鮮明技術(shù)特點,這些特點決定了其對減重有迫切的需求,復(fù)合材料的出現(xiàn)使無人機的減重要求得以實現(xiàn)。
據(jù)2013年發(fā)表的《先進復(fù)合材料在軍用無人機上的應(yīng)用動向》文獻,各種無人機上復(fù)合材料的用量較大,普遍要高于有人機,一般在60%-80%之間,有的甚至全結(jié)構(gòu)均使用復(fù)合材料。復(fù)合材料在無人機機體上的應(yīng)用發(fā)展經(jīng)歷了從整流罩,到承載小的部件,例如飛機翼面的前緣、后緣壁板,到翼面的操縱面或操縱面的后緣等次承力結(jié)構(gòu),以及到主承力結(jié)構(gòu),進而到翼面盒段、翼身融合等整體一體化成型的發(fā)展歷程。
復(fù)材在直升機上的使用,促進了直升機技術(shù)的飛躍,機體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用量現(xiàn)已成為衡量新一代直升機技術(shù)先進水平的重要標志之一。
近年復(fù)材在國外直升機中的應(yīng)用也越來越多,部分機型復(fù)材占機體結(jié)構(gòu)重量比達50%以上,甚至產(chǎn)生了全復(fù)合材料機體直升機(NH-90 直升機),復(fù)材占比高達95%。我國直升機復(fù)材應(yīng)用研究較早,目前國內(nèi)在研和在役直升機均大量使用復(fù)材。
民機既強調(diào)安全性,也強調(diào)經(jīng)濟性,對結(jié)構(gòu)減重同樣有迫切的需求,復(fù)材用量也在不斷提升,應(yīng)用占結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量比可達50%。
航天裝備如導(dǎo)彈、火箭、高超聲速飛行器等一般飛行速度較高,飛行過程表面溫度高,對防熱要求較高。
導(dǎo)彈在大氣飛行速度很高(接近或遠超過聲速),此時由于導(dǎo)彈氣動加熱,其表面蒙皮及彈頭溫度會快速升高。根據(jù)駐點溫度計算公式,假設(shè)導(dǎo)彈環(huán)境溫度為220K,初步計算了不同飛行速度下導(dǎo)彈蒙皮的溫度,可以看出當(dāng)導(dǎo)彈飛行速度達4-10馬赫時,表面溫度范圍可達445-3173°C,隨著馬赫數(shù)的提高,表面溫度急劇上升,普通的鋁合金甚至鈦合金都難以滿足要求。例如,美國改進型超音速海麻雀導(dǎo)彈在發(fā)射后8-10秒,彈體蒙皮溫度可達371°C,這種環(huán)境下2024鋁合金強度會降低90%,難以滿足要求。
因此,對于高速飛行的航天裝備,需要采用各種不同類型的陶瓷材料及復(fù)材來實現(xiàn)防熱,如美國X-47B高超聲速飛行器使用了碳/陶瓷復(fù)合材料用來防熱,耐溫可達1700°C。
復(fù)材在戰(zhàn)術(shù)彈上通常應(yīng)用于彈體、彈翼、尾翼、雷達罩、進氣道等位置。美國早期的“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈使用了較多的復(fù)合材料部件,如頭錐、雷達罩、尾翼、進氣道等,但性能一般,當(dāng)時其它戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈大多仍以金屬材料為主。
20世紀80年代以來,多種戰(zhàn)術(shù)彈的固體發(fā)動機殼體和部分彈體蒙皮開始使用復(fù)合材料,例如,美國新一代空面巡航導(dǎo)彈ACMI58- JASSM,在“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上為了大幅度地降低成本減輕彈體重量,不僅彈翼、尾翼、進氣道采用復(fù)合材料,整個彈身全部艙段都采用了碳纖維復(fù)合材料,全彈減重了30%,成本降低50%。
我國在亞音速岸艦、艦艦導(dǎo)彈天線罩上采用了復(fù)合材料,以環(huán)氧復(fù)合材料為蒙皮,聚氨酯泡沫為芯層。
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