淺析纖維材料對現代航空發展的推動作用

伏雨佳

摘 要：現代航空工業的發展，離不開材料學研究的不斷進步。從早期的熱氣球、螺旋槳飛機、旋翼直升機、空中客機、噴氣式戰斗機等，直至目前最為先進的第四代隱身戰機，這些都使用到了不同的材料類型。其中，纖維材料的應用對現代航空業發展的推動作用最為明顯。本文以現代航空業中纖維材料的應用為研究內容，通過幾個典型應用的分析，使人們認識到纖維材料對現代航空業發展的積極影響，以期能夠加深人們對于現代材料學發展的認識。

關鍵詞：纖維材料 現代航空 發展 推動

中圖分類號：TS102 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（a）-0084-02

在現代航空業的發展過程中，材料學給其提供了巨大的支持，隨著新型材料的不斷出現，大量新的材料被應用到了航空領域，促進了航空器的更新換代。目前，在現代航空領域的相關材料應用方面，纖維材料得到了一定程度的普及，并且，隨著纖維材料研究的持續進行，不僅其種類有著明顯增加，而且其在航空領域的應用范圍也顯著擴大。

1 纖維增強復合材料的性能及應用

在眾多的纖維材料中，纖維增強復合材料在航空發展中的應用最為廣泛，其在航空發展中的應用，可以在多個方面實現了航空器的優化。

1.1 纖維增強復合材料的性能

相比較于其他的纖維材料來說，纖維增強復合材料的主要性能在于其較高的比強度和比模量，在相同設計要求的情況下，大面積地使用纖維增強復合材料能夠保證航空器在高速飛行的過程中結構的穩定性。尤其是對于民航客機來說，纖維增強復合材料能夠更好地應對惡劣天氣條件下的飛行顛簸、冰雹、結冰等問題，從而避免因航空器結構失效所帶來的災難性后果。

除此之外，纖維增強復合材料作為一種高比強度的材料，其還擁有其他纖維材料所不具備的超高韌性，強度和韌性并不是一對矛盾的存在，強大的韌性基礎賦予了纖維增強復合材料的損傷容限，使其能夠應對更加嚴峻的考驗。

1.2 纖維增強復合材料在航空領域的應用

以波音747-X Stretch為例，該型號飛機屬于現代民用航空技術的尖端產品，582人的載客量創造了民用航空領域的奇跡，這意味著波音747-X Stretch的起飛重量將高達42.5t，但其卻僅依靠96.6m的翼展將這一重量帶到空中，關鍵技術就是纖維增強復合材料在機翼設計中的應用。該機依托纖維增強復合材料的超高比強度，以及該類型材料所特有的柔性特征，從而使單位長度的機翼能夠經受住約1t的重量，瞬時重量耐受范圍≤103t。由此可見，纖維增強復合材料是推動現代民用航空業朝著更大、更快、更強方向發展的主要力量。

2 碳纖維材料應用下的航空輪胎發展

在一些視頻中我們經常可以看到，飛機在降落的瞬間，輪胎與跑道會摩擦出大量的白煙，由于飛機的飛行速度較快，且重量較大，所以其無論以何種方式著陸，輪胎都要與軌道發生直接的接觸，進而產生磨損。并且，這種磨損與飛機降落的角度、載重量、速度等相關因素有著一定的關系。

根據物理學知識我們能夠分析出，飛機在下落的過程中主要受兩個方向的力的作用，一個是垂直方向上的重力，另一個就是水平方向上的力，這兩個力都會在一定程度上造成輪胎的磨損。由于技術條件的限制，所以傳統飛機輪胎的設計壽命較短，尤其是隨著飛機重量的增加和速度的提升，使得傳統輪胎的材料和制作工藝無法滿足現有的要求。在這種情況下，以碳纖維材料為代表的新一代航空輪胎開始走進人們的視野中。

現代航空輪胎的設計依托于有限的元數據分析方式，通過對傳統航空輪胎出現胎肩磨損、胎面橡膠過度磨損等問題進行反復研究，在完善相關工藝的基礎上，對傳統橡膠材料加以改進，并利用高模量碳纖維材料作為子午線的主要材料，從而取代傳統輪胎中普遍適用的尼龍線束，利用碳纖維材料的耐磨損、抗拉性強等特點，從而減小飛機降落時的輪胎形變量，并使滾動摩擦代替靜摩擦，從而降低摩擦的損耗，延長航空輪胎的壽命。

這里需要注意的是，由于碳纖維材料的價格較高，所以需要考慮到成本等問題，并結合實際使用的需要，對碳纖維材料的使用進行分級，以實現民用航空公司效益的最大化。

3 石英纖維在航空工作發展中的應用

眾所周知，當人類進入到噴氣式時代之后，關于航空發動機的研究就從未停止，推重比是衡量航空發動機水平的一個重要指標。然而，隨著推重比的升高，發動機的尾焰溫度也將隨之增加，在此情況下，航空發動機的末端將承受持續性的高溫燒蝕，傳統材料無法經受住如此高的溫度。因此，關于這一領域的材料研究限制了諸多國家在航空發動機領域的發展。尤其是以美國F-35為代表的第四代隱身戰斗機，其引以為傲的矢量推進器就是克服了這一難題。

為克服航空發動機推重比的增加所帶來的高溫燒蝕，研究人員將石英纖維作為發動機尾管的主要材料，并通過符合的金屬纖維加快了發動機尾管的散熱，從而在保證石英纖維正常工作的情況下，避免了因長期高溫所產生的熱損傷現象。盡管，石英纖維的耐高溫特性較為突出，但是在實際的使用過程中，依然需要根據石英纖維的熱損傷情況，及時更換相應的部件，否則在超出石英纖維承受范圍的情況下，將出現航空發動機尾管表面剝落的現象，進而威脅到航空安全。

4 有機纖維材料的應用與無人機技術的發展

在現代航空技術的發展過程中，依靠材料學研究的不斷進步，以及現代電子科學技術的應用，無人機成為新時期航空工業發展的又一重要方向，并已在民用和軍用兩個領域得到了廣泛應用。根據實際使用環境的需求，無人機對其重量可謂是錙銖必較，在同樣的情況下，只有重量較輕，才能夠使無人機的升限和滯空時間得到改善。為此，現代纖維材料技術被廣泛應用于無人機領域，尤其是一些以太陽能為動力的旋翼無人機，其碳纖維材料的應用率甚至高達99.3%，由此可以看出纖維材料對無人機航空發展的重要意義。

然而，隨著材料學研究的不斷深入，以有機纖維材料為代表的新一代纖維材料被廣泛應用于無人機航空領域，相比較于碳纖維材料來說，有機材料的單位密度較小，且具有較高的物理特征穩定性，能夠應對各種不同的天氣情況。之所以使用有機纖維材料來代替碳纖維材料，其目的是為了降低無人機的制造成本，如此就可以便于無人機的大規模生產和使用。

但是，相比于碳纖維材料，應用有機纖維材料的無人機的抗電磁干擾性能較差，這導致了有機纖維材料在無人機中的應用占比僅為64%左右，而其他關鍵點位依然需要使用抗輻射、抗干擾性能較強的碳纖維材料。所以，關于有機纖維材料的研究仍然有待改進，在現有特性的基礎上，還需要提升有機纖維材料的電磁屏蔽性能，從而使其在無人機航空領域中發揮更大的作用。

5 結語

在現代航空的發展過程中，以纖維材料為代表的材料學研究正在深入進行，并實現了航空工業發展的多元化。其憑借著自身良好的特性，廣泛地應用于不同類型的航空器中。在降低航空器質量、增加航空器結構強度、提升航空器的抗電磁干擾能力等方面都有著較為突出的表現。我們有理由相信，隨著纖維材料的大規模應用，現代航空工業將得到更加廣闊的發展。

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