浅析纤维材料对现代航空发展的推动作用

伏雨佳

摘 要：现代航空工业的发展，离不开材料学研究的不断进步。从早期的热气球、螺旋桨飞机、旋翼直升机、空中客机、喷气式战斗机等，直至目前最为先进的第四代隐身战机，这些都使用到了不同的材料类型。其中，纤维材料的应用对现代航空业发展的推动作用最为明显。本文以现代航空业中纤维材料的应用为研究内容，通过几个典型应用的分析，使人们认识到纤维材料对现代航空业发展的积极影响，以期能够加深人们对于现代材料学发展的认识。

关键词：纤维材料 现代航空 发展 推动

中图分类号：TS102 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）10（a）-0084-02

在现代航空业的发展过程中，材料学给其提供了巨大的支持，随着新型材料的不断出现，大量新的材料被应用到了航空领域，促进了航空器的更新换代。目前，在现代航空领域的相关材料应用方面，纤维材料得到了一定程度的普及，并且，随着纤维材料研究的持续进行，不仅其种类有着明显增加，而且其在航空领域的应用范围也显著扩大。

1 纤维增强复合材料的性能及应用

在众多的纤维材料中，纤维增强复合材料在航空发展中的应用最为广泛，其在航空发展中的应用，可以在多个方面实现了航空器的优化。

1.1 纤维增强复合材料的性能

相比较于其他的纤维材料来说，纤维增强复合材料的主要性能在于其较高的比强度和比模量，在相同设计要求的情况下，大面积地使用纤维增强复合材料能够保证航空器在高速飞行的过程中结构的稳定性。尤其是对于民航客机来说，纤维增强复合材料能够更好地应对恶劣天气条件下的飞行颠簸、冰雹、结冰等问题，从而避免因航空器结构失效所带来的灾难性后果。

除此之外，纤维增强复合材料作为一种高比强度的材料，其还拥有其他纤维材料所不具备的超高韧性，强度和韧性并不是一对矛盾的存在，强大的韧性基础赋予了纤维增强复合材料的损伤容限，使其能够应对更加严峻的考验。

1.2 纤维增强复合材料在航空领域的应用

以波音747-X Stretch为例，该型号飞机属于现代民用航空技术的尖端产品，582人的载客量创造了民用航空领域的奇迹，这意味着波音747-X Stretch的起飞重量将高达42.5t，但其却仅依靠96.6m的翼展将这一重量带到空中，关键技术就是纤维增强复合材料在机翼设计中的应用。该机依托纤维增强复合材料的超高比强度，以及该类型材料所特有的柔性特征，从而使单位长度的机翼能够经受住约1t的重量，瞬时重量耐受范围≤103t。由此可见，纤维增强复合材料是推动现代民用航空业朝着更大、更快、更强方向发展的主要力量。

2 碳纤维材料应用下的航空轮胎发展

在一些视频中我们经常可以看到，飞机在降落的瞬间，轮胎与跑道会摩擦出大量的白烟，由于飞机的飞行速度较快，且重量较大，所以其无论以何种方式着陆，轮胎都要与轨道发生直接的接触，进而产生磨损。并且，这种磨损与飞机降落的角度、载重量、速度等相关因素有着一定的关系。

根据物理学知识我们能够分析出，飞机在下落的过程中主要受两个方向的力的作用，一个是垂直方向上的重力，另一个就是水平方向上的力，这两个力都会在一定程度上造成轮胎的磨损。由于技术条件的限制，所以传统飞机轮胎的设计寿命较短，尤其是随着飞机重量的增加和速度的提升，使得传统轮胎的材料和制作工艺无法满足现有的要求。在这种情况下，以碳纤维材料为代表的新一代航空轮胎开始走进人们的视野中。

现代航空轮胎的设计依托于有限的元数据分析方式，通过对传统航空轮胎出现胎肩磨损、胎面橡胶过度磨损等问题进行反复研究，在完善相关工艺的基础上，对传统橡胶材料加以改进，并利用高模量碳纤维材料作为子午线的主要材料，从而取代传统轮胎中普遍适用的尼龙线束，利用碳纤维材料的耐磨损、抗拉性强等特点，从而减小飞机降落时的轮胎形变量，并使滚动摩擦代替静摩擦，从而降低摩擦的损耗，延长航空轮胎的寿命。

这里需要注意的是，由于碳纤维材料的价格较高，所以需要考虑到成本等问题，并结合实际使用的需要，对碳纤维材料的使用进行分级，以实现民用航空公司效益的最大化。

3 石英纤维在航空工作发展中的应用

众所周知，当人类进入到喷气式时代之后，关于航空发动机的研究就从未停止，推重比是衡量航空发动机水平的一个重要指标。然而，随着推重比的升高，发动机的尾焰温度也将随之增加，在此情况下，航空发动机的末端将承受持续性的高温烧蚀，传统材料无法经受住如此高的温度。因此，关于这一领域的材料研究限制了诸多国家在航空发动机领域的发展。尤其是以美国F-35为代表的第四代隐身战斗机，其引以为傲的矢量推进器就是克服了这一难题。

为克服航空发动机推重比的增加所带来的高温烧蚀，研究人员将石英纤维作为发动机尾管的主要材料，并通过符合的金属纤维加快了发动机尾管的散热，从而在保证石英纤维正常工作的情况下，避免了因长期高温所产生的热损伤现象。尽管，石英纤维的耐高温特性较为突出，但是在实际的使用过程中，依然需要根据石英纤维的热损伤情况，及时更换相应的部件，否则在超出石英纤维承受范围的情况下，将出现航空发动机尾管表面剥落的现象，进而威胁到航空安全。

4 有机纤维材料的应用与无人机技术的发展

在现代航空技术的发展过程中，依靠材料学研究的不断进步，以及现代电子科学技术的应用，无人機成为新时期航空工业发展的又一重要方向，并已在民用和军用两个领域得到了广泛应用。根据实际使用环境的需求，无人机对其重量可谓是锱铢必较，在同样的情况下，只有重量较轻，才能够使无人机的升限和滞空时间得到改善。为此，现代纤维材料技术被广泛应用于无人机领域，尤其是一些以太阳能为动力的旋翼无人机，其碳纤维材料的应用率甚至高达99.3%，由此可以看出纤维材料对无人机航空发展的重要意义。

然而，随着材料学研究的不断深入，以有机纤维材料为代表的新一代纤维材料被广泛应用于无人机航空领域，相比较于碳纤维材料来说，有机材料的单位密度较小，且具有较高的物理特征稳定性，能够应对各种不同的天气情况。之所以使用有机纤维材料来代替碳纤维材料，其目的是为了降低无人机的制造成本，如此就可以便于无人机的大规模生产和使用。

但是，相比于碳纤维材料，应用有机纤维材料的无人机的抗电磁干扰性能较差，这导致了有机纤维材料在无人机中的应用占比仅为64%左右，而其他关键点位依然需要使用抗辐射、抗干扰性能较强的碳纤维材料。所以，关于有机纤维材料的研究仍然有待改进，在现有特性的基础上，还需要提升有机纤维材料的电磁屏蔽性能，从而使其在无人机航空领域中发挥更大的作用。

5 结语

在现代航空的发展过程中，以纤维材料为代表的材料学研究正在深入进行，并实现了航空工业发展的多元化。其凭借着自身良好的特性，广泛地应用于不同类型的航空器中。在降低航空器质量、增加航空器结构强度、提升航空器的抗电磁干扰能力等方面都有着较为突出的表现。我们有理由相信，随着纤维材料的大规模应用，现代航空工业将得到更加广阔的发展。

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