高于金属强度的聚合物复合材料减轻飞机重量

以尖端研究员Alexey V. Kepman为首的罗蒙诺索夫莫斯科国家大学的科研团队正在开发结构性聚合物复合材料以用于车辆部件及航空航天工业的结构性零件的生产。此类零部件对材料要求更加严格,需要高性能聚合物复合材料。研究人员已经在杂志《应用聚合物科学》上发布了他们的项目成果。材料结构以聚合物为基质,并包含一种独立的其他加强材料(填料)。举例来说,在碳纤维增强复合材料中(CFRP),碳纤维是作为一种加强材料存在的,而聚酯或环氧树脂,双马来酰亚胺,聚酰亚胺等其他聚合物构成基质。

一架现代飞机,比如“梦幻飞机”波音787包含50%的聚合物复合材料。一架战斗机,比如欧洲台风战斗机包含70%的聚合物复合材料。开发中的耐高温聚合物复合材料有朝一日将取代现有发动机里的金属部件(如低压喷气式压缩机叶片)或超音速飞行器的外壳。

化学家在以二肽腈单质为启始材料的聚合物材料分子设计中采用了一种新方法,他们创造新材料的同时也改进了制备方式,这种方法不同于大多数现行的肽腈法,可被用于以注射法更经济的生产CFRP。此法可以最少的零部件组装数量生产高强度复杂外形的CFRP。

钛合金或铝合金的单克价格远低于同样重量的这种复合材料。不过,据研究员Boris Bulgakov介绍,生产和维护大型复杂外形的聚合物复合材料部件则要远远便宜于合金。这种性价比优势产生于大幅下降的组装工序人工成本,以及碳纤维结构的高强度水平。

Boris Bulgakov解释说“比如,一张聚合物复合材料机翼是由10块部件固定在一起,那么同样的金属机翼就需要100块零件,这意味着金属机翼的生产成本更高。而且CFRP的强度是铝合金的6到8倍,而密度则比铝合金轻1.5倍。”

聚合物复合材料正被广泛应用于高档汽车、F1方程式赛车、飞机和航天飞船的生产。飞机重量减轻可使燃油消耗减少,有效负重加大。因此聚合物复合材料的高生产成本由低油耗及高载重所补偿。而且因为耐腐蚀,聚合物复合材料维护成本低于金属。

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