复合材料与金属的相互结合使用

2014-09-01  来源1:复材在线 作者:复材在线 浏览次数:10192 收藏  |  分享

复合材料与金属可以比作敌对伙伴,它们最终迷途知返,决定为共同利益而联合。现在它们之间的冲突减少了,出现了更多权宜性的结合。George Marsh对此进行了报道。这两种材料在陆路、海洋以及飞行器上的竞争非常激烈,特别是后...
复合材料与金属可以比作敌对伙伴,它们最终迷途知返,决定为共同利益而联合。现在它们之间的冲突减少了,出现了更多权宜性的结合。George Marsh对此进行了报道。

这两种材料在陆路、海洋以及飞行器上的竞争非常激烈,特别是后者,该领域受减重和燃油效率的推动最大。一段时间以来,复合材料渐渐渗入航空金属的领地,起初的规模较小,现在已经达到这样的程度:最新型飞机的50%是塑料做的。它们的首要优点在于其减重能力,但是它们的其他特点,比如抗腐蚀和抗疲劳性能也同样吸引人。

但是,金属也进行了还击。以庞巴迪公司的案例为例,该公司的C系列客机进行了大胆的尝试,削弱了波音和空客双头垄断飞机制造的统治地位,他们采用了一种彻底的节油设计。庞巴迪决定设计一种全复合材料机翼,他们起初也为其机身设计考虑采用碳纤维复合材料,就像波音与空客公司一样,他们分别在其新一代B787梦幻客机和A350WB客机上开发了与增强塑料机架一致的复合材料机身。这家加拿大飞机制造商对机翼制造所做的决定相对简单,因为他们通过灌注成型大型部件,还包括完成纵梁和加强筋,减轻了重量,因为单一的实体比较坚固。

然而,采用碳纤维增强复合材料机身的理由就不那么明确了,该公司为直到飞机尾部的所有部件都选用了铝锂合金,这种金属组合减轻的重量与碳纤维相当。机身上用于零部件组装的空间变小,对于高频短程飞机,潜在的运营商们对于其处于较低位置的碳纤维机身部分的维护问题表示担忧,这种飞机很可能要比这两大垄断巨头的长途宽体飞机承受更多来自地面车辆的损害(这是因为会在地面装载时发生货物车辆等的撞击)。

新型金属,例如用于C系列飞机机身的肯联铝业(Constellium)旗下的Airware铝-锂合金是碳纤维复合材料的一个强大的竞争对手。Airware也被空客指定用于A350的翼肋、座椅导轨,以及其他零部件上,A350的结构中约有16吨金属材料。肯联铝业的航空和运输业务总裁Christophe Villemin指出,Airware能够很好地适应现有的金属制造技术、供应链和装配方法,使之拥有高生产率。它比传统铝材轻5%,同时又具有优秀的防腐蚀能力和机械性能。尽管合金中有锂的存在,但合金本身不是并不是反应性的,尽管锂在这方面是出了名的。此外,金属能在其航空服役期结束后回收再利用,而碳纤维复合材料只能拼尽全力来实现这一点。

除此之外,新的生产技术也提高了对金属的呼声。目前波音公司有一个计划,就是尝试实现金属机身面板上紧固件(铆钉)安装的自动化,该工艺目前需要技术熟练的技工结对进行工作。自动化操作的成功能够加速工艺过程,消除工人技术的变化因素,并在长期的生产运行中节约金钱。积层制造技术(3D打印)是另一个潜在的变革者,该项技术早在支架生产、燃料喷嘴,以及类似尺寸的零部件生产中得到应用,但是它将可能适应于大型零部件的生产。(这项技术目前也应用于塑料领域。)

尽管Airware,也许还有其他新型金属,拥有着强大的竞争力,尤其是当它们与改进的制造技术相结合时。但是,在减少零部件数量方面,复合材料仍然能够取胜,只要采用适当的加工方法,塑料仍然可以提供更低的重量和更少的生产成本。尽管如此,因为金属材料拥有完善的设计规范和应用史,许多设计团队依然刻意避开塑料,而沉迷于金属带来的熟悉感和亲切感。他们只是注意到波音公司在介绍其梦幻飞机时讲述了与复合材料相关的难题,在A350飞机上,同样的难题还可能以相似的方式继续折磨空客公司。(这些问题曾在《增强塑料》杂志往期的文章中报道过。)

熟悉程度依然是材料选择过程中的重要因素。比如,这种情况在中国商飞C919支线飞机上就显而易见,该机型现在处于设计改进阶段。据报道,中国商飞有两套作业流程,其一基于铝-锂合金,另一条则以复合材料为基础。这家飞机制造企业认为,假如复合材料存在过大的项目风险,就可以转而选用金属构件。轻型飞机制造商塞斯纳(Cessna)同样避免跟随其某些竞争对手走复合材料路线,而是选用了久经验证的金属材料解决方案。然而近来,为母公司德事隆集团(Textron)的Scorpion轻型战斗机所投入的工作,令这家公司更多地接触了复合材料。这家公司已经开发了一种专利的热压罐技术,根据这家公司的首席执行官Scott Ernest所说,这项技术能够帮助“明确”复合材料的生产成本,并提高产量。未来,塞斯纳可能因此而更加倾向于选用复合材料。

业界的谨慎态度是能够理解的,尤其是有证据证明,在某些情况下对复合材料的选用可能是过于草率的。一个有说服力的实例是世界最大客机空客A380超巨型飞机的飞机机翼。在金属主机翼研发期间,为了应对减重目标带来的挑战,决定将内部结构中的几根翼肋制成复合材料制件,这样,每片机翼就能节约大约300千克的重量。这些翼肋通过螺栓联接的铝制支架连接到金属机翼蒙皮上。

不幸的是,其中的一些支架在服役期间发生了开裂,最后可能已经完全失效了。这归因于制造工艺,以及因不断暴露在巡航高度的寒冷环境下造成的金属与复合材料之间的热应力问题。由于当时对材料界面性能的了解不够彻底,导致在设计阶段对整体效果给予的考虑不够充分。

空客公司认定,最佳的长期补救方法是替换那些带有铝制支架的复合材料翼肋面板,采用全金属-金属界面。为此制定了一个新的铝材牌号,结合了所需的强度、重量和抗疲劳等其他特性。从今年晚些时候起,这项修复工作将成为所有已交付的A380客机生产标准的一部分,与此同时,对现有飞机也着手进行了修改。这个挫折对复合材料来说是一个打击,对空客公司来说亦是如此。

另一场金属的胜利则由波音公司决定从复合材料转而投向金属材料开始,这项决定针对其为B737 Max研发的新款发动机舱零部件,这款机型是无所不在的B737飞机的主机换装升级版。在新型的高燃油效率CFM Leap B发动机上,其推力反相器内壳将采用钛金属,而不是用于其旧款CFM 56发动机上的复合材料。波音公司表示,比起使用复合材料内衬,这款金属内衬更轻,也能让机舱变得更小。

不只是斗争

但也并非全部都是斗争。例如,一片采用复合材料制作蒙皮并包覆在金属骨架上的机翼,这就像是一种合作,每种材料都被用在其特有的材料特性能够发挥其最佳优势的地方。庞巴迪的C系列机型采用复合材料机翼和金属机身的方案也是如此。从这个角度看问题,你也可以在一些案例中发现,以混杂材料的形式获得的融合,比互相比邻使用,但本质上仍分离的情况更加密切。某些轻于空气的车辆集中体现了这一点。著名的齐柏林公司(Zeppelin)将碳纤维与铝材相结合,应用于其新一代飞船的内部框架。类似地,加利福尼亚的Aeros公司说,对于其革命性的Aeroscraft飞船,其要求严格的内部桁架结构将采用碳纤维/金属混杂材料。

在直升机生产领域,正在制造能够利用两种材料各自特性的防撞结构。有时候,设计者们喜欢辩称复合材料缺乏铝材一样的延展性,因而在碰撞中的防护性更差。相反地,F1赛车的比赛现场却表明,通过设计,即使在时速200英里的冲击力下,复合材料也能保护驾驶者。

的确,有些专家建议,未来的航空结构可以与这些金属混杂材料相结合,例如金属-碳纤维夹层结构,或者结构中的某些纤维毡是金属材质的复合材料。尽管提供了“纯净的”复合材料所缺乏的保护能力,这些高度整合的材料组合也会遇到关于雷击的问题。

未来的飞行器的概念很可能会更多地依靠金属混杂材料。空客公司在“欧洲突破性层流翼验证机”(Breakthrough Laminar Aircraft Demonstrator in Europe,简称BLADE)项目上的工作涉及了以另一种用复合材料/金属材料制造的产品取代空客A340飞机的外翼。通过使用复合材料,这种产品可能实现一个没有瑕疵的光滑表面,通过增强层流流动(光滑无漩涡),它能减少25%甚至更多的阻力。表面光滑的机翼蒙皮的内部需要坚硬的金属内部结构来支撑。为了在减少油耗方面谋求下一个突破性的进展,实现更大的层流将成为设计者的主要焦点。

这些案例说明材料间的结合越来越紧密。GKN Aerospace(GKNA)公司是领先的飞机制造转包商,它作为Bell公司与Lockheed-Martin公司合作的新型Valor第三代倾转旋翼机指定的零部件供应商,扮演了中间人的角色。GKNA公司将最新的金属和复合材料技术相结合,用来生产这架飞机的关键V型尾翼及其关联组件。它能利用其在混杂材料以及接近混杂材料的结构生产方面的经验,例如,发动机舱和飞行操纵面板。

对于高的受压区域,另一种材料发挥了作用——那就是钛。这种金属一直用于需要钢材的强度,但要求重量减半的应用场合。其中的一个案例是翼根,此处所受压力特别高,若采用铝材为解决方案则太重。钛金属与碳纤维复合材料在此处的应用中夺得了首要位置,这种竞争更扩大到了中央翼盒,但是,由于制造商更愿意使用组合型材料,我们将很可能在这些关键区域看到所有的三种航空用主要材料——复合材料、铝合金和钛金属。

一个有关金属与复合材料亲密合作的突出案例是纤维增强金属层压板。在A380飞机上,上半机身壁板(顶板)由玻纤增强环氧树脂铝层压板(GLARE)制成,这是一种真正的混杂材料,将玻纤增强层与铝箔层交替铺层而成。结果结合了两种材料的最佳品质。于是,GLARE混杂材料就结合了出色的损伤极限,以及防火、耐腐蚀和抗疲劳特性,还在被以金属对待的同时减轻了重量。

不只是航空工业

尽管航空是最吸引人注意的领域,但复合材料和金属真的可以互为补充,这远非它们唯一的应用领域。另一项应用在于船舶工业:以法国的拉斐特(LaFayette)级护卫舰为例。其上层建筑为轻质合金和玻纤增强复合材料,减少了顶部重量,这是自不断减少船只大型部件重量以来一个稳步增长的目标。木材也被引入到混合材料之中,由于拉斐特是一种隐性巡防舰,所以它能够吸收而不是反射雷达信号,这是非常重要的,而木材具有这种特性。类似地,Ingalls Industries公司为美国海军所制造的朱姆沃尔特(Zumwalt)级驱逐舰的金属船体上有一个900吨重的碳纤维复合材料甲板室。

高性能帆船的特点是拥有碳纤维复合材料船体和甲板,但是设计者们喜欢在舱底(地板)下方采用一些不易弯曲的金属内框架来承受桅杆和索具的负载。避免了受高张力牵引的索具通过支索牵条安装在船体上的趋势,由于复合材料在压力下会随时间发生蠕变,这将使复合材料船体壳渐渐受牵拉而变形。将船体框架与索具相结合,能够形成一个不易弯曲的高强度结构。然而要注意,桅杆依然是复合材料需要征服的一个制件。

轨道车辆也需要较低的重心,以及特定的最小重量,使之保持在轨道上。然而,为了节约燃料,减少一些重量是可取的。因此,复合材料在车辆的内部非常重要,而在车身上的作用较小,仅最低限度地使用在底盘和机械零件上,占车身材料的比重最小。高速列车的车身成为复合材料前端和驾驶室越来越完美的结合,它需要复杂的空气动力学曲线,其余结构则采用金属材料。

在减重需求上,公路运输是仅次于航空工业的应用。汽车是这样地普遍,即使车辆仅仅略微提高了燃油效率,整体上都能对全球的能源经济和环境带来显著影响。在该领域,复合材料的应用甚至多于航空领域,复合材料一方面被看作入侵者,另一方面被看作救助者。也是在这一领域,复合材料和金属看起来就像会达成和解,两者都能贡献其特殊的优势。

复合材料不仅减轻了车身重量,也解放了设计者,他们能够采用新的造型或者复杂的轮廓,这些无法通过钢材来实现——就像在小批量汽车产品中所见,比如赛车和超级跑车。在量产车上的广泛采用仍然受成本、生产周期、材料界面问题、损伤修复、报废处理,以及与现有工艺不相容,比如A级车身表面处理等问题的影响而受到阻碍。其他的一些障碍还包括在现有设施上的高额投资、相对缺乏复合材料设计标准,以及对现有设计和制造技术亲切的熟悉感。然而,随着材料和工艺的改良,以及更多的零部件整合,生产成本和周期时间正在逐渐减少,而且复合材料的应用经验也在渐渐累积,尽管看起来尚未达到临界点。

也许,在某种意义上,这种情况不会发生。但有迹象表明,混杂结构中的金属和复合材料将成为一个综合体,而不会大规模地转向复合材料。正如一位来自一家主要汽车设计中心的专家所指出的:“出现了一种新的建造风格,它采用全新的材料组合。”他补充说,这些材料将包括金属、高分子复合材料、纳米材料等。

顶级汽车市场正在指明方向。兰博基尼Aventador跑车的碳纤维单体壳舱室是其一大特点,这辆超级跑车还在其轻质抗扭底盘上结合了碳纤维和铝材两种材料。该公司在其Aventura和Gallardo生产模型上使用了相似的复合材料。由于采用了碳纤维复合材料车身和超成型的铝质窗框和车门,以及具有镁材增强横梁的金属框架,克莱斯勒的SRT Viper超级跑车比他在2010年的旧款汽车减轻了32%的重量。英国最热门的汽车之一,麦克拉伦P1拥有一个碳纤维增强单体壳,轻质的碳纤维车身面板和铝质前后车架。阿斯顿马丁最新款的Vanquish模型车拥有一个具有金属框架的简洁的CFRP车身。

混合动力车和电动车目前的销售量较小,但是被认为是未来的汽车,它们将依赖于复合材料来减少车身重量,但仍然需要一些金属承载结构。例如,来自法拉利、麦克拉伦和宝马公司的混合动力车有效地结合了不同材料的材料特性。可以肯定的是,法拉利为其混合动力车设计了一款复合材料底盘,这辆汽车的主要材料是碳纤维,但是使用了4种不同类型碳纤维的手糊层压、热压罐固化结构非常昂贵,排除了高级汽车行业以外的类似解决方案。

有趣的是,宝马的新款i3电动车进行了量化设计,是一款更具代表性的面向公众的汽车。宝马采用了碳纤维车身,用来补偿很大的电池重量。这家德国汽车制造商认为,碳纤维带来的减重方面的好处,消除了材料更高的成本,这足以证明其使用价值。而金属仍应用于混合材料之中。

考虑到增强塑料的使用,汽车材料的变化特别多种多样,包括在聚酯、环氧树脂、尼龙、酚醛和热塑性塑料中采用玻璃纤维、碳纤维、巴沙轻木及合成纤维。材料形式从片状模塑料到块状模塑料,从纤维编织布和单向布到预浸料,变化多端。材料的演变将决定哪些将主宰道路运输未来的混合材料解决方案。

材料领域激动人心的进步——从新型合金、金属的超级成型和粉末技术,到新的化学反应、工艺,以及塑料纳米管,将会继续培养两大阵营间的竞争性。积层制造技术以及至今仍然未知的技术研发,将为双方提供支持。但是总的说来,似乎未来的运输系统,既不会由金属主宰,也不会由复合材料主宰,双方将在优化的混杂结构中进行联合协作。(end)

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