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航空航天复合材料结构健康监测的应用

更新时间:2016-03-15 02:44:24点击次数:5101次字号:T|T

航天器在长期飞行过程中,由于疲劳、腐蚀、材料老化以及高空中的环境等不利因素的影响,不可避免地产生损伤积累,甚至发生飞机坠毁等突发的严重事故,造成无法挽回的伤害,因此对航空航天结构的健康监测十分重要。航空航天健康监测不仅能满足乘客的安全感和舒适感,增加航天结构的功能性、智能性和灵活性,而且能够降低维修和检测的费用。由于航天器结构复杂、机身体积庞大,对其结构的健康监测要求高,同时使用大量传感器,这就对传感器网络及其解调装置提出了新的挑战。

光纤光栅(fiber Bragg grating,(FBG) ) 传感器自问世以来,以其独特的优势倍受人们的青睐。它除了具有尺寸小、重量轻、带宽宽、灵敏度高、抗电磁干扰能力强和耐腐蚀能力强等优点外,而且是对波长绝对编码、不受光功率波动影响、集传感和传输于一体、易于埋入材料内部,具有对结构的应力、应变进行高精度的准分布式测量的优点;此外通过复用可构成传感网,用以监测外界温度、应力场作用下的大量待测目标的空间和时间特征。这些优点使光纤光栅传感器被认为是航空航天结构健康监测中最有前途的传感器之一。

航空航天用复合材料简介

随着飞机性能的不断提高,作为现代飞机结构材料的复合材料的发展更加引人注目,由于它具有强度高、刚度高、可设计性强、抗疲劳能力好、耐腐蚀、便于大面积整体成形等优点,在航空航天工程领域的应用日益广泛。目前复合材料的应用已由小型、简单的次承力构件发展到大型、复杂的主要承力构件;从单一结构件发展到结构/吸波、结构/透波、结构/防弹等多功能一体化结构。目前,高度轻量化直升机上的复合材料用量已达结构重量的70 %~80 %;在先进战斗机上的用量是结构用量的30 %~50 %;在大型民用运输机上的用量已占结构用量的15 %~20 %。复合材料所占机体结构重量的比例已经成为衡量飞机先进与否的重要标志。继铝、钢、钛之后,复合材料已迅速发展为四大航空结构材料之一。

当前,大量用于航空航天工程领域的复合材料主要有以下两类:聚合物基复合材料和金属基复合材料。聚合物基复合材料主要是树脂基复合材料,其优异的力学性能和减重效果受到航空航天业的青睐,到目前为止已有20多年的应用史。实践表明,该材料制造的飞机部件比传统航空结构材料通常减重20%~30 %,使用和维修成本比金属材料低15 %~25 %。法、意联合研制的支线客机ATR72,其机翼30 %为芳纶、碳纤维和增强环氧树脂复合材料,另外还在副翼、舵面、整流罩和客舱内壁大量使用环氧树脂复材,整体减重15 %。美国最新研制的轻型侦察攻击直升机RAH66具有隐身能力,树脂基复合材料用量约50 %左右,机身龙骨大梁长6.72m,铺层最多达1000层。法、德合作研制的虎式武装直升机,其树脂基复合材料用量高达80%。树脂基复合材料的性能和增强纤维和树脂基体有关,常用的增强纤维有碳纤维和其他高性能有机纤维,而常用的树脂基体主要有环氧树脂、双马(DMI) 树脂、聚酰亚胺树脂和氰酸酯树脂。通过合理的结构和材料设计,它可使雷达反射截面缩小,吸波性能提高,赋予飞机隐形功能。

金属基复合材料(MMC) 是以金属为基体,添加颗粒、晶须或纤维作为增强相,通过特定方法复合而成。金属基复合材料包括铝基复合材料、镁基复合材料、钛基复合材料、高温合金基复合材料和难熔金属基复合材料等。这些金属基复合材料性能优异,强度和刚度高,耐高温、耐疲劳、抗振动、耐湿热、耐紫外线和放射线的辐射损伤,尺寸稳定性好,逸气性极低,抗敌方武器破坏能力强,而且特别适用于制造空间飞行器的构件,是用于航空飞机、运载火箭、卫星等航天器和先进的航空器;尤其用在耐高温的航空发动机上,至少具有耐538℃的潜力,并有可能达到980℃的高温。由于与金属材料相比,金属基复合材料具有以上独特的性能,被认为是未来高性能航空发动机的必选材料。专家预测,在2020年以前飞机发动机结构材料中金属基复合材料所占比重将达到30 %。
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