For tiden har komposittmaterialer blitt et av de fire viktigste materialsystemene ved siden av metalliske materialer, polymermaterialer og uorganiske ikke-metalliske materialer. Nivået på en nasjons komposittmaterialindustri har blitt en nøkkelindikator på dens vitenskapelige, teknologiske og økonomiske styrke. Avanserte komposittmaterialer er en kilde til konkurransefortrinn for nasjonal sikkerhet og økonomi. Det er spådd at innen 2020 vil bare komposittmaterialer ha potensial til å oppnå en ytelsesforbedring på 20–25 %.
1. Bruksområder i flykroppsstrukturer
Avanserte komposittmaterialer brukes til å produsere primærlastbærende-bærende konstruksjoner og sekundærlastbærende-bærende konstruksjoner, og tilbyr stivhet og styrke som kan sammenlignes med eller overgår aluminiumslegeringer. Disse materialene er nå mye brukt i produksjonen av flykroppsstrukturer og integrerte strukturer for små ubemannede luftfartøyer (UAV). USA har i stor utstrekning tatt i bruk kompositter i jagerfly og kampfly. På 1960-tallet brukte USA først karbonfiber-forsterket plast (CFRP) i militærfly for komponenter som kabindører, tilgangspaneler, kåper og kontrolloverflater (f.eks. rulleroer og ror uten belastning{11}med eller uten ror{12}. krav. På begynnelsen av 1980-tallet avanserte kompositter til halekomponenter som vertikale og horisontale stabilisatorer (sekundærlastbærende strukturer), som sett i fly som F-15, F-16, F-18, Mirage 2000, og Miragey the used phase, og Mirage 40B. sent på 1980-tallet begynte fjerde generasjons jagerfly som F-22 og F-35 JSF å inkorporere kompositter i store bærende strukturer som vinger og flykropper, og akselererte integreringen av kompositter i militærfly. Bruken av komposittmaterialer har fortsatt å øke (tabell 1-2), og utgjør nå 20–50 % av strukturmassen i moderne militærfly.
Det britiske selskapet ICI brukte GF/PA (sannsynligvis glassfiber-forsterket polyamid) for å produsere ventiler for jagerfly, og sikret at disse ventilene opprettholder ytelsen og dimensjonsstabiliteten selv etter langvarig eksponering for drivstoff over et bredt temperaturområde. Du Pont brukte også materialer som GF, KF/PA og PPS (polyfenylensulfid) for å produsere komponenter til militære fly.
Hvis vi tar fjerde-generasjons F/A-22 jagerfly som et eksempel, står kompositter for 24,2 % av konstruksjonsmaterialene. Blant disse utgjør varmeherdende kompositter 23,8 %, mens termoplastiske kompositter utgjør ca. 0,4 %. Rundt 70 % av de herdede komposittene er basert på bismaleimid (BMI) harpiks, brukt til å produsere over 200 typer komplekse komponenter. De gjenværende termoherdende materialene består hovedsakelig av epoksyharpiks-baserte kompositter, med tilleggsbruk av cyanatester og termoplastisk harpiks-baserte kompositter. Viktige bruksområder inkluderer vinger, skinn i midten av flykroppen, rammer og halepartier.
Militære rotorfartøyer bruker også i stor grad kompositter. For eksempel bruker V-22 Osprey tiltrotorflyet kompositter for over 40 % av dens strukturelle masse, inkludert flykroppen, vingene, halen og rotasjonsmekanismene, til sammen mer enn 3000 kg komposittmaterialer. Det nyeste europeiske Eurocopter Tiger-angrepshelikopteret har komposittmaterialer i 80 % av sine strukturelle komponenter, og nærmer seg en fullstendig sammensatt flyramme. Derimot bruker militære transportfly færre kompositter-C-17 ved 8 % og C-130J på bare 2 % – selv om Airbus A400M-militærtransporten har en helkomposittvinge, med kompositter som representerer 35 % av dens strukturelle masse når den er tom.
Innen sivil luftfart hadde det tidlige 1980-tallet USA-bygde enkelt-pilot Star舟 lette fly en strukturell masse på rundt 1800 kg, med kompositter som oversteg 1200 kg. Det lette Voyager-flyet fra 1986, med over 90 % av strukturen laget av karbonfiberkompositter, satte verdensrekord for en uavbrutt, ni-dagers uavbrutt flyging rundt-verden. I dag har rivaliseringen mellom romfartsgigantene Boeing og Airbus intensivert seg, med hovedfokus på å øke bruken av komposittmateriale (Figur 1-2).
For å produsere den første -sammensatte 787-flykroppen, tok Boeing i bruk en fiberplasseringsmetode som ligner den som ble brukt av Raytheon. Prosessen skapte en sammensatt flykroppskomponent som målte 7 meter i lengde og 6 meter i bredde. Denne strukturen ble produsert ved hjelp av Automatic Fiber Placement (AFP)-teknologi på en massiv roterende dor. Dornen ble forhånds-bearbeidet med spor som matchet formen og dimensjonene til flykroppens stringers og longons. Preformede stringers og bjelker (laget av karbonfiber prepreg-lag og trykk-herdet) ble plassert i disse sporene før vikling. Under produksjonen roterte doren langs sin akse, noe som tillot kontinuerlig fibervikling på formen for å danne skrogskallet, med vindusåpninger ulagte. Flykroppsskallet, sammen med bjelkene og stringerne, ble deretter autoklav{12}}herdet for å lage en monolitisk kompositt-kroppsseksjon, som senere ble tatt ut av formen som sluttprodukt.
Boeing 787s sammensatte flykroppsseksjon er ikke bare verdens største filament-viklede flykroppskomponent, men også anerkjent som den største trykkbeholderen i karbonfiber som noen gang er produsert. Komposittmaterialets eksepsjonelle strekk-/bøylestyrke gjør at det tåler høyere kabintrykk, og opprettholder et internt trykk som tilsvarer en høyde på 6000 fot (1830 meter)-sammenlignet med de typiske 7000–9000 foten i konvensjonelle{12}improviserte passasjerfly. I tillegg motstår kompositter korrosjon (en stor svakhet ved metallflykropper), og lar luftfuktigheten i kabinen holde seg stabil på 10–15 % (mot 5–10 % i metallkropper), noe som øker komforten ytterligere.
Under den økende innflytelsen fra komposittteknologi redesignet Airbus A-350 fullstendig, og ga den nytt navn til A-350 XWB (Extra Wide Body). Flyet økte bruken av komposittmateriale fra de opprinnelige 40 % til 52 %. Flykroppen til A-350 XWB er 13 cm bredere enn 787-er, noe som muliggjør en 9-kant-setekonfigurasjon i oppsett med høy tetthet (sammenlignet med 787s maksimum på 8-kant). I likhet med 787 vil A-350 XWB opprettholde kabintrykket i en høyde som tilsvarer 6000 fot.
Den 14. juni 2013 gjennomførte Airbus med suksess jomfruflyvningen til sine nye widebody A350 XWB-fly, og markerte nok en milepæl i den globale luftfartsindustrien etter Boeings B-787 «Dreamliner». A350 XWB og B-787 bruker henholdsvis 52 % og 50 % komposittmaterialer, noe som betyr en ny æra innen komposittutvikling for luftfart.
555-setet A-380, verdens største fly, oppnådde banebrytende bragder i luftfartshistorien ved i stor grad å bruke karbonfiberforsterket plast (CFRP). Komposittmaterialer utgjør 25 % av flyets masse, hvorav 22 % er CFRP og 3 % er GLARE fiber-metalllaminat (en lagdelt hybrid av aluminium- og glassfiberkompositter), sistnevntes første bruk i sivile fly. CFRP-komponenter inkluderer: hastighetsbremser, vertikale og horisontale stabilisatorer (dobler som drivstofftanker), heiser, rulleroer, klaffspoilere, landingshjulsdører, kåper, vertikale halefinnebokser, øvre kabingulvbjelker, bakre trykkskott, bakre flykroppsseksjoner, horisontale stabilisatorer og rulleroer.
Etter at A-340s banebrytende bruk av karbonfiber for kjølbjelken og komposittbaktrykkskottene -brøt tradisjonelle designbarrierer-, utfordret A-380 ytterligere tekniske normer ved å ta i bruk CFRP for sin sentralvingeboks (forbinder flyvingene til flykroppen). Denne innovasjonen alene reduserte vekten med 1,5 tonn sammenlignet med avanserte aluminiumslegeringer. CFRPs vektbesparelser, kombinert med tretthet og korrosjonsmotstand, forbedret drivstoffeffektiviteten med 13 % sammenlignet med konkurrerende modeller og reduserte utslipp. A-380 ble det første langdistanseflyet som oppnådde under 3 liter drivstoff per passasjer per 100 km, med driftskostnader 15–20 % lavere enn det mest effektive flyet i sin tid.
Dassault Aviations forretningsjet Falcon 7X, i stand til å cruise på 12 000 meter med en maksimal hastighet på Mach 0,8, har plass til 8 passasjerer og har en rekkevidde på 10 560 km (5 700 nautiske mil). Raytheons Beechcraft Premier 1 lette jetfly når en marsjfart på 835 km/t med en rekkevidde på 2 759 km-begge med avanserte alle-komposittflykropper.
Japans nye transportfly, ALELEX, inneholder også betydelige karbonfiberkompositter.
Kina har også mye brukt komposittmaterialer i flydesign og produksjon. For eksempel har QY8911/HT3 bismaleimid enveis prepreg av karbonfiber og komposittmateriale utviklet og produsert av Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute blitt brukt på komponenter som den fremre flykroppsdelen, vertikal halestabilisator, ytre vingepaneler, spoilere og strømlinjeformede kåper på fly. PEEK/AS4C termoplastisk harpiks enveis prepreg og komposittmateriale av karbonfiber utviklet av Beijing Institute of Aeronautical Materials viser eksepsjonell bruddseighet, vannmotstand, aldringsmotstand, flammehemming og utmattelsesbestandighet. Disse materialene er egnet for produksjon av primære-lastbærende flystrukturer. Disse materialene kan fungere langsiktig- ved 120 grader og har blitt brukt i frontpanelene til flyets landingsutstyrsrom.
Det kinesiske militærflyet "Flying Leopard", som inneholder betydelige komposittkomponenter av karbonfiber, har en total lengde på omtrent 22,3 meter, et vingespenn på 12,7 meter, en maksimal startvekt på 28,4 tonn, en maksimal ekstern nyttelastkapasitet på 6,5 tonn, en toppfart på Mach 1,70 og en fergerekkevidde på rundt 3,600 kilometer. Med kampevner som overgår Jaguar-, Tornado- og Su-24-flyene, demonstrerer Flying Leopard egenskaper som samsvarer med tredjegenerasjons jagerfly.
2. Anvendelse av komposittmaterialer i flystealth
I løpet av de siste tiårene har det blitt gjort betydelige fremskritt i forskningen på stealth-komposittmaterialer, som utvikler seg mot egenskapene "tynnhet, letthet, bredbåndsabsorpsjon (spektral) og styrke (slagmotstand, høy-temperaturmotstand)."-Karbonfiber-forsterket komposittmateriale, men har også{3} høystyrkematerialer med høy styrke stealth-funksjonalitet. For eksempel viser CF/PEEK eller CF/PPS utmerket bredbåndsabsorpsjonsytelse, som effektivt absorberer radarbølger. USA var banebrytende for bruken av stealth-materialer i fly, med F-117 og F-22 som de mest belagte. Smygbelegget på F-117 var svært komplekst, og inneholdt opptil "syv forskjellige materialer".
Den primære strukturen til det amerikanske F-22 supersoniske jagerflyet bruker medium-modulus karbonfiber-forsterket spesialplast. På samme måte er Mirage III-jagerflyets nedbremsing av fallskjermdeksler og utkastingssetekomponenter laget av slike materialer, som har blitt brukt på radarabsorberende deler som flyribber, skinn, koblinger og festemidler. Tomahawk-kryssermissilet, flyskrogsubstratet til B-2 stealth-bombeflyet og deler av F-117A stealth-flyet bruker også karbonfibermodifiserte polymerradarabsorberende materialer.
I 2000 oppgraderte det amerikanske luftvåpenet F-117s stealth-materialer, og erstattet det originale syv-lagsbelegget med ett enkelt materiale. Denne endringen standardiserte vedlikeholdsprosedyrer og radar{10}}absorberende materialer på tvers av alle F-117, og reduserte tekniske spesifikasjoner med omtrent 50 %. Etter-oppgraderingen ble vedlikeholdstiden per flytime for F-117 kuttet med over halvparten, og de årlige vedlikeholdskostnadene for alle 52 F-117 falt fra 14,5 millioner, 6,9 millioner. I motsetning til F-117, unngår F-22 radarabsorberende belegg for hele kroppen, men påfører ferrittradarabsorberende belegg på alle interne og eksterne metallkomponenter. Dette belegget er slitesterkt, slitesterkt og lettere å påføre sammenlignet med F-117s system.
Eksperter spår at innen 2030-årene vil avanserte kompositter som "ledende elektrokrome polymermaterialer", "hybride halvledermaterialer", "nanokompositter" og "intelligente stealth-teknologier" implementert i fly praktisk talt. Disse innovasjonene kan fundamentalt transformere avionikksystemer og flykontrollmetodikker.
Kilde:Luftfartskomposittmaterialer og deres mekaniske analyseav Haitao Cui og Zhigang Sun (red.)