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                看航空制造业如何为材料“赋能”
                来源:中国民航网2019-03-27 15:22:00

                金属也疲劳?

                看航空制造业如何为材料“赋能”

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                从一开始,新材料的研发、创造都来自想象:如果把金属看作水泥,把碳纤维管看作钢筋,把“钢筋”加进去试试会怎样?

                新材料?#31080;?#23436;成,测试显示,金属的强度提高了,重量也轻了。更强、更轻是材料研究人员的共同目标,同样?#27169;?#33322;空材料也有志于此。

                得知金属也疲劳,北、上、广、深的“加班狗们”会不会心头荡起一阵惺惺相惜?强硬如金属尚且如此,虽然算不上什么新知,但也从某一种?#23884;?#25552;醒着我们:革命?#24418;?#25104;功,我辈仍须强韧性、减疲劳,来日方长。

                其实,金属疲劳并不复杂。我们小时候都体验过:反复弯折一个金属薄片,没一会儿工夫就能将其折断。我们使用的材料?#38469;?#19981;完美?#27169;?#21253;括金属,在长期服役中,有缺陷的部位就会应力集中,逐渐出现裂纹或者突然发生断裂,这个过程就是金属疲劳了。

                从第一次工业革命开始,金属被用于效率更高的机器中,工厂里的马达代替了工人。没多久,在隆隆马达声中,人们慢慢地?#24826;?#21040;了金属疲劳的危害:重要的金属部件发生脱落、突然断裂,造成不少事故。

                在显微镜的观察下,金属疲劳的原因一目了然。金属内部由很多晶体结构,它们并不是完美的均匀状态。当受到?#20013;?#22806;力,且力的传递并不均匀导致某些地方出现受力相对集中的状态?#20445;?#32463;过一段时间,应力?#20013;?#38598;中的地方就会出现十分微小的裂?#30130;?#20877;过一段时间,微小的裂?#31080;?#22823;,金属中能够传递应力的部分变少,剩余部分不能承担传递的力?#20445;?#37329;属?#25237;?#35010;了。

                现在,在清华大学航空航天学院的结构完整性实验室内,可以测出金属在不断受力的情况下发生疲劳的曲线规律,还能记录疲劳出现、发生断?#35757;?#26102;间。通过这条疲劳曲线,可以预测金属的疲劳寿命;同?#20445;?#32570;陷也是可以加以利用?#27169;?#27604;如做成需要在一定时间发生断?#35757;?#24037;具。

                飞机上的金属

                我们乘坐的飞机是经过百余年的进化才成为现在的模样。

                早期的飞机是木结构?#27169;?#30001;张线加固。1909年,路易斯·布莱里奥就是驾驶着这样一架飞机飞?#25509;?#21513;利海峡的。现在看来,它的结构简单极了,但机身精选木料,有上百个金属连接件,工艺绝不粗糙。1919年,容克斯设?#39057;?#20840;金属F13超越了时代,与他最早设?#39057;?#20840;金属外壳——J.1“锡驴?#20445;˙lechesel)相比,F13造型简洁,更具现代?#26657;?#32780;当时的主流飞机还是?#23616;?#26426;身、帆布蒙皮的。容克斯的设计划直接启发了上世纪30年代金属客机的诞生。后来,为了加快飞机的飞行速度,喷气式发动机应运而生,它?#38887;?#30772;了“音障?#20445;?#23436;成了航空科技上的一次飞跃,但马上又遇到了?#21485;日稀?#38382;题。当飞机以超声速飞行?#20445;?#39134;机表面和空气摩擦产生大量的热,飞机蒙皮温度急剧升高;当温度超过250°C?#20445;?#38109;合金就会出?#21046;?#21171;。上世纪40年代末,耐高温的钛合金出现了,航空?#38469;?#23454;现了又一次飞跃——突破?#21485;日稀薄?/p>

                综观航空?#32602;?#27599;一次航空材料的重大突?#30130;?#37117;会促进航空?#38469;?#39134;跃式的发展,而航空材料以其基础地位,与航空发动机、信息?#38469;?#24182;列为三大航空关键?#38469;?#20043;一。

                现在的飞机材料以金属材料、聚合物、无机非金属材料和复合材料为主。飞机在高空飞行?#20445;?#19981;同的飞机部件处在不同的温度环境中:有发动机?#35745;?#24418;成的高温环境,有在同温层以亚音速飞行时-50°C的飞机表面温度。飞机在地面?#20445;?#26497;地严冬的机场机?#20309;?#24230;会降至-40°C以下,创造或选择合?#23454;?#26448;料,并朝着更强、更轻的方向进化,如AreMet100超高强度钢制成的起落架,钛合金为主的航空发动机主?#27169;?#26426;体结构钢?#27169;?#25165;能让飞机整体性能相协调。

                进入21世纪,航空新材料和先进工艺的发展很快。运输飞机既要安全,又要最大限度地节能环保、控制成本。能做到这些,就是现代制造工业的顶峰了。

                为金属“赋能”

                在飞机制造领域,增强“金属免疫力”?#23884;?#25239;金属疲劳的?#34892;?#26041;法。

                一方面,在钢铁和有色金属中,加进微乎其微?#21335;?#22303;元素,可以大大提高金属的抗疲劳属性,延长使用寿命;另一方面,减少金属材料中的杂?#23460;材?#22686;强“金属免疫力?#20445;?#24310;长金属使用寿命。杂?#35782;?#30130;劳性能和应力腐蚀性能影响很大,例如,对于超高强度?#20540;?#37329;属性能,国际上是通过控制硫和磷的杂质含量来保证的。在?#38469;?#26631;准中,对于每一种杂?#23454;?#26368;高含量,以及所有杂质含量之?#25237;?#26377;明确的要求。在金属构件上尽量避免生锈,用辅助工艺提高表面光洁度,以及对产生震动的机械采取防震措施,都能?#34892;?#38450;止金属疲劳。在必要的时候,对金属内部结构进行检测,是预防金属疲劳的常用方法。

                关于提高金属性能,清华大学材料学院的李文珍教授打了一个比方:就像钢筋混凝土,把混凝土中间加了钢筋,用这种复合材料盖楼就比用混凝土盖得更结实。在北京的CBD可以用这种材料盖600米高的楼,安全性不会有问题。如果往金属里面加东西呢?

                在清华大学的材料中心实验室内,在能放大150万倍的场发射透射电子显微镜下,金属是由一个个晶体组成?#27169;?#26230;体越细,金属的性能越强。但是晶体?#21335;?#26159;有限度?#27169;?#21040;了一定程度,怎么才能进一?#25945;?#39640;强度?#30475;?#19968;开始,新材料的研发、创造都来自想象:如果把金属看作水泥,把碳纤维管看作钢筋,把它加进去试试会怎样?新材料?#31080;?#23436;成,测试显示,金属的强度提高了,重量也变轻了。更强、更轻是材料研究人员的共同目标,同样?#27169;?#33322;空材料也有志于此。

                现在,清华-富士?#30340;?#31859;科技研究中心的碳纳米管?#38469;?#19990;界领?#21462;?#36825;种改进传统材料的方法可以衍生出诸多应用?#33322;?#32435;米材料加入铝合金中,既可以提高铝合金的性能,又减轻了重量,在飞机、高速列车上有很大的使用空间;把碳纳米管加入镁合金中,新的复合材料密度大约只有?#20540;?/4,铝的2/3,是重量最轻的合金。这种合金已经应用于家用吸尘器、除草机等,既轻便,又结实。日本尼康公司曾经?#19994;?#26446;文珍教授,提出了将镁合金的质量再降30%的需求。实验室做到了,还制造出了一台尼康单反相机的外壳样本,既有镁合金的硬度,同时轻如塑料,拿在手里感觉非常奇妙。这?#32622;?#21512;金基纳米复合材料是目前重量最轻的金属。将来,如果这种材料应用于尼康相机的外壳和镜头,女摄影师人数将进一步增加,因为单反相机的重量不再是问题。如果应用于显示屏领域,80英寸的电视重量可以减到7公斤,可?#36816;?#24847;挂在家中的墙上。

                材料?#21335;?#35937;空间

                历?#39134;希?#39134;机也曾经大量使用镁合金。1934年,德国曾经把镁合金造的零件安装到一架福克Fw-200飞机上,镁合金是最轻的金属,他们用它做了发动机罩、机翼蒙皮和座位框架。这?#26234;嶂式?#23646;强度高、抗震能力强、可以?#24826;?#36739;大载荷的冲击,很快在飞机制造业中大受欢迎,飞机框架、座椅、发动机机匣、齿轮箱上都出现了金属镁合金,但后?#20174;?#22240;为阻燃性能的问题淡出航空领域。现在,新的研究方法已经可以开发出更轻、阻燃能力更强的镁合金。航空制造领域目前处在积累用户需求的阶段。人们每天的?#38534;⑹场?#20303;、行都与身边的材料息息相关。在材料科学的?#25226;兀?#26377;电动汽车的新能源材料,有涉及量子的记忆储能材料,有用于心脏起搏器充电的柔性材料,有用5G网络传输8K高清信号的传输材料;同?#20445;?#36824;有薄如蝉翼的碳纳米管扬声器,它不再是传统的喇叭,而是可以缝在衣服上、帽子上,或挂在旗子上的柔软的音响装备。

                材料是人类文明的基石,航空材料是航空制造领域的基石。空客中国工?#30899;际?#26377;限公司的研发?#31354;?#22312;与清华材料学院等国内多所高校、多个研究所开展合作,在材料的基础性能等方面开展研发工作。

                金属的疲劳性能只是材料的基础性能之一,在飞机的结构设计层面上,在人类可利用材料的研发上,还有太多可供我们想象的空间。(《中国民航报》、中国民航网 记者刘?#25285;?/p>

                责任编辑:wanglei 000
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