ปัจจุบันวัสดุคอมโพสิตได้กลายเป็นหนึ่งในสี่ระบบวัสดุสำคัญควบคู่ไปกับวัสดุโลหะวัสดุพอลิเมอร์และวัสดุที่ไม่ใช่โลหะอนินทรีย์ ระดับของอุตสาหกรรมวัสดุคอมโพสิตของประเทศได้กลายเป็นตัวบ่งชี้สำคัญของความแข็งแกร่งทางวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีและเศรษฐกิจ วัสดุคอมโพสิตขั้นสูงเป็นแหล่งที่มาของความได้เปรียบในการแข่งขันเพื่อความมั่นคงของชาติและเศรษฐกิจ เป็นที่คาดการณ์ว่าภายในปี 2563 มีเพียงวัสดุคอมโพสิตเท่านั้นที่จะมีศักยภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพ 20% –25%
1. แอปพลิเคชันในโครงสร้างลำตัวของเครื่องบิน
วัสดุคอมโพสิตขั้นสูงใช้ในการผลิต โครงสร้างการรับน้ำหนักที่มีน้ำหนักมาก และโครงสร้างการรับน้ำหนักที่มีการรับน้ำหนักที่สำคัญ นำเสนอความแข็งและความแข็งแรงเทียบเท่ากับหรือสูงกว่าโลหะผสมอลูมิเนียม วัสดุเหล่านี้ถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการผลิตโครงสร้างลำตัวของเครื่องบินและโครงสร้างแบบบูรณาการทางอากาศขนาดเล็ก (UAV) สหรัฐอเมริกาได้นำคอมโพสิตมาใช้อย่างกว้างขวางในเครื่องบินขับไล่ไอพ่นและเครื่องบินต่อสู้ในช่วงทศวรรษที่ 1960 สหรัฐอเมริกาใช้พลาสติกที่เสริมด้วยไฟเบอร์คาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) ในเครื่องบินทหารสำหรับส่วนประกอบเช่นประตูห้องโดยสาร ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 คอมโพสิตขั้นสูงไปยังส่วนประกอบของตัวอักษร เช่นเดียวกับความคงตัวในแนวตั้งและแนวนอน (โครงสร้างการรับน้ำหนักรอง) ดังที่เห็นในเครื่องบินเช่น f -15, f -16, f -18, mirage 2000 นักสู้รุ่นที่สี่เช่น f -22 และ f -35 JSF เริ่มรวมคอมโพสิตลงในโครงสร้างที่มีน้ำหนักมากขึ้นเช่นปีกและ fuselages เร่งการบูรณาการคอมโพสิตลงในเครื่องบินทหาร การใช้วัสดุคอมโพสิตเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง (ตาราง 1-2) ตอนนี้คิดเป็น 20% –50% ของมวลโครงสร้าง ในเครื่องบินทหารสมัยใหม่
บริษัท อังกฤษ ICI ใช้ GF/PA (โพลีอะไมด์เสริมเส้นใยแก้ว) เพื่อผลิตวาล์วสำหรับเครื่องบินรบเพื่อให้แน่ใจว่าวาล์วเหล่านี้ยังคงประสิทธิภาพและความมั่นคงในมิติแม้หลังจากได้รับเชื้อเพลิงเป็นเวลานานในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง Du Pont ยังใช้วัสดุเช่น GF, KF/PA และ PPS (polyphenylene sulfide) เพื่อผลิตส่วนประกอบสำหรับเครื่องบินทหาร
การใช้ F/A -22 รุ่นที่สี่เป็นตัวอย่างคอมโพสิตคิดเป็น 24.2% ของวัสดุโครงสร้าง ในบรรดาสิ่งเหล่านี้คอมโพสิตเทอร์โมเซตติ้งทำขึ้น 23.8%ในขณะที่คอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกประกอบด้วยประมาณ 0. 4% ประมาณ 70% ของคอมโพสิตเทอร์โมเซตติ้งนั้นขึ้นอยู่กับเรซิน bismaleimide (BMI) ที่ใช้ในการผลิตส่วนประกอบที่ซับซ้อนกว่า 200 ประเภท วัสดุเทอร์โมเซ็ตที่เหลืออยู่ส่วนใหญ่ประกอบด้วยคอมโพสิตที่ใช้อีพ็อกซี่เรซินโดยใช้คอมโพสิตที่ใช้ไซยาเนตเอสเตอร์และเทอร์โมพลาสติกเรซินเพิ่มเติม พื้นที่แอปพลิเคชันที่สำคัญ ได้แก่ ปีก, สกินขั้วกลาง, เฟรมและส่วนหาง
Rotorcraft ทหารยังใช้คอมโพสิตอย่างกว้างขวาง ตัวอย่างเช่นเครื่องบิน V -22 Osprey Tiltrotor ใช้คอมโพสิตมากกว่า 40% ของมวลโครงสร้างรวมถึงลำตัวปีกปีกและกลไกการหมุนรวมมากกว่า 3, 000 kg ของวัสดุคอมโพสิต เฮลิคอปเตอร์การโจมตีของ Eurocopter Tiger Eurocopter ล่าสุดมีวัสดุคอมโพสิตใน 80% ของส่วนประกอบโครงสร้างใกล้กับเฟรมคอมโพสิตอย่างสมบูรณ์ ในทางตรงกันข้ามเครื่องบินขนส่งทางทหารใช้คอมโพสิตน้อยลง c -17 ที่ 8% และ c -130 j ที่เพียง 2%-แม้ว่าแอร์บัส A400M การขนส่งทางทหารจะรวมปีกทั้งหมดที่มีคอมโพสิต
ในการบินพลเรือนในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ดาวฤกษ์นักบินเดี่ยวที่สร้างขึ้นในสหรัฐอเมริกา舟เครื่องบินเบามีมวลโครงสร้างประมาณ 1,800 กิโลกรัมโดยมีคอมโพสิตเกิน 1,200 กิโลกรัม เครื่องบิน Light Voyager ปี 1986 ที่มีโครงสร้างมากกว่า 90% ที่ทำจากคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สร้างสถิติโลกสำหรับเที่ยวบินต่อเนื่องตลอดเก้าวันตลอดเวลา ทุกวันนี้การแข่งขันระหว่างยักษ์ใหญ่ด้านการบินและอวกาศโบอิ้งและแอร์บัสได้ทวีความรุนแรงขึ้นโดยมุ่งเน้นที่สำคัญในการเพิ่มการใช้วัสดุคอมโพสิต (รูป 1-2)
ในการผลิตลำตัวเครื่องบินทั้งหมด 787 ลำตัวแรกที่โบอิ้งใช้วิธีการจัดวางเส้นใยคล้ายกับที่ใช้โดย Raytheon กระบวนการสร้างส่วนประกอบลำตัวคอมโพสิตที่มีความยาว 7 เมตรและกว้าง 6 เมตร โครงสร้างนี้ผลิตขึ้นโดยใช้ automatic placement (AFP) เทคโนโลยีบนแมนเดรลหมุนขนาดใหญ่ แมนเดรลนั้นถูกตกแต่งล่วงหน้าด้วยร่องที่ตรงกับรูปร่างและขนาดของลำตัวของลำตัวและอีกต่อไป preformed stringers และคาน (ทำจากชั้น prepreg คาร์บอนไฟเบอร์และการรักษาด้วยความดัน) ถูกวางลงในร่องเหล่านี้ก่อนที่จะคดเคี้ยว ในระหว่างการผลิตแมนเดรลหมุนไปตามแกนของมันช่วยให้เส้นใยต่อเนื่องที่คดเคี้ยวลงบนแม่พิมพ์เพื่อสร้างเปลือกลำตัวโดยมีช่องเปิดหน้าต่างยังคงไม่หยุดพัก เชลล์ลำตัวพร้อมกับคานและ stringers จากนั้นก็ถูกบดบังด้วยหม้อนึ่งนิรนัยเพื่อสร้างส่วนลำตัวคอมโพสิตเสาหินซึ่งต่อมาได้รับการทำลายเป็นผลิตภัณฑ์สุดท้าย
ส่วนลำตัวคอมโพสิตของโบอิ้ง 787 ไม่เพียง แต่เป็นส่วนประกอบของลำตัวที่ใหญ่ที่สุดในโลกเท่านั้น แต่ยังได้รับการยอมรับว่าเป็นเรือคาร์บอนไฟเบอร์ที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยผลิตมา ความต้านทานแรงดึง/ห่วงที่ยอดเยี่ยมของวัสดุคอมโพสิตช่วยให้สามารถทนต่อแรงดันในห้องโดยสารที่สูงขึ้นรักษาความดันภายในเทียบเท่ากับระดับความสูงของ 6, 000 ฟุต (1,830 เมตร) -compared-sumpical 7, 000-9, 000 นอกจากนี้คอมโพสิตต้านทานการกัดกร่อน (จุดอ่อนที่สำคัญของ airframes โลหะ) ช่วยให้ความชื้นในห้องโดยสารยังคงมีเสถียรภาพที่ 10–15% (เทียบกับ 5–10% ในการเป็นโลหะของโลหะ) เพิ่มความสะดวกสบาย
ภายใต้อิทธิพลที่เพิ่มขึ้นของเทคโนโลยีคอมโพสิตแอร์บัสออกแบบใหม่ A -350 อย่างสมบูรณ์เปลี่ยนชื่อมัน a -350 xwb (ร่างกายกว้างพิเศษ) เครื่องบินเพิ่มการใช้วัสดุคอมโพสิตจาก 40% ดั้งเดิมเป็น 52% A -350 ลำตัวของ XWB คือ 13 cm กว้างกว่า 787's เปิดใช้งาน 9- การกำหนดค่าที่นั่งแบบทันสมัย ในเลย์เอาต์ที่มีความหนาแน่นสูง (เทียบกับสูงสุดของ 787 8- เช่นเดียวกับ 787, A -350 XWB จะรักษาความดันในห้องโดยสารที่ระดับความสูงเทียบเท่า 6, 000 feet
เมื่อวันที่ 14 มิถุนายน 2013 แอร์บัสประสบความสำเร็จในการบินครั้งแรกของเครื่องบิน A350 XWB ที่กว้างขึ้นใหม่ซึ่งเป็นเหตุการณ์สำคัญอีกครั้งในอุตสาหกรรมการบินระดับโลกหลังจาก B -787 "Dreamliner" ของโบอิ้ง A350 XWB และ B -787 ใช้วัสดุคอมโพสิต 52% และ 50% ตามลำดับแสดงถึงยุคใหม่ในการพัฒนาคอมโพสิตและอวกาศ
555- ที่นั่ง A -380 เครื่องบินที่ใหญ่ที่สุดในโลกประสบความสำเร็จในประวัติศาสตร์การบินโดยใช้พลาสติกพลาสติกเสริมไฟเบอร์คาร์บอน (CFRP) วัสดุคอมโพสิตประกอบด้วย 25% ของมวลของเครื่องบินโดย 22% เป็น CFRP และ 3% เป็นลามิเนตเส้นใยไฟเบอร์-โลหะ (ลูกผสมของอลูมิเนียมและคอมโพสิตใยแก้ว) การใช้งานครั้งแรกในเครื่องบินพลเรือน ส่วนประกอบ CFRP รวมถึง: เบรกความเร็ว, ความคงตัวในแนวตั้งและแนวนอน (เพิ่มเป็นสองเท่าเป็นถังน้ำมันเชื้อเพลิง), ลิฟต์, ailerons, สปอยเลอร์พนัง, ประตูเกียร์ลงจอด, แฟร์กิ้ง, ตู้ครีบหางแนวตั้ง, คานพื้นห้องโดยสาร
การติดตามการใช้คาร์บอนไฟเบอร์ -340} การใช้คาร์บอนไฟเบอร์สำหรับคานกระดูกงูและคอมโพสิตด้านหลังกำแพงกั้นการออกแบบแบบดั้งเดิมที่ทำลายอุปสรรคแบบดั้งเดิม-A -380 ท้าทายบรรทัดฐานทางวิศวกรรมเพิ่มเติม นวัตกรรมนี้เพียงอย่างเดียวลดน้ำหนักลง 1.5 เมตริกตันตันเมื่อเทียบกับโลหะผสมอลูมิเนียมขั้นสูง การประหยัดน้ำหนักของ CFRP รวมกับความล้าและความต้านทานการกัดกร่อนเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงโดย 13% มากกว่าแบบจำลองการแข่งขันและการปล่อยลดลง A -380 กลายเป็นเครื่องบินระยะยาวลำแรกที่ได้รับเชื้อเพลิง 3 ลิตรต่อผู้โดยสารต่อ 100 กม. โดยมีค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน 15–20% ต่ำกว่าเครื่องบินที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด
เจ็ทธุรกิจของ Dassault Aviation 7x สามารถล่องเรือได้ที่ 12, 000 เมตรด้วยความเร็วสูงสุดของ Mach 0 8 รองรับผู้โดยสาร 8 คนและมีระยะทาง 10,560 กม. (5,700 ไมล์ทะเล) Jet Light Jet ของ Raytheon ของ Raytheon ถึงความเร็วในการล่องเรือ 835 กม./ชม. ด้วยช่วง 2,759 กม. ทั้ง 2,759 กิโลเมตรที่มีฟูลจ์ลอด-คอมโพสิตขั้นสูง
เครื่องบินขนส่งใหม่ของญี่ปุ่น alelex ยังรวมเอาคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่สำคัญ
จีนยังใช้วัสดุคอมโพสิตอย่างกว้างขวางในการออกแบบและการผลิตเครื่องบิน ยกตัวอย่างเช่น QY8911/HT3 บิสมมาได้คาร์บอนไฟเบอร์คาร์บอนไฟเบอร์และวัสดุคอมโพสิตที่พัฒนาและผลิตโดยสถาบันวิจัยเทคโนโลยีการบินการบินของปักกิ่งได้ถูกนำไปใช้กับส่วนประกอบต่าง ๆ PEEK/AS4C thermoplastic resin prepreg คาร์บอนไฟเบอร์คาร์บอนไฟเบอร์และวัสดุคอมโพสิตที่พัฒนาโดยสถาบันวัสดุการบินของกรุงปักกิ่งแสดงความเหนียวแตกหักเป็นพิเศษความต้านทานน้ำความต้านทานต่อวัย เหมาะสำหรับการผลิตโครงสร้างเครื่องบินที่รับน้ำหนักหลักวัสดุเหล่านี้สามารถใช้งานได้ในระยะยาวที่ 120 องศาและถูกนำมาใช้ในสกินด้านหน้าของแผงอ่าวเกียร์ลงจอดเครื่องบิน
เครื่องบินทหารของจีน "Flying Leopard" ซึ่งรวมส่วนประกอบคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่สำคัญมีความยาวโดยรวมประมาณ 22.3 เมตรปีกหน้า 12.7 เมตรน้ำหนักการบินขึ้นสูงสุด 28.4 ตันสูงสุด 3 6.5 ตัน ด้วยความสามารถในการต่อสู้ที่เหนือกว่าเครื่องบินจากัวร์พายุทอร์นาโดและซู -24 เครื่องบินเสือดาวบินแสดงให้เห็นถึงลักษณะที่สอดคล้องกับเครื่องบินขับไล่รุ่นที่สาม
2. การประยุกต์ใช้วัสดุคอมโพสิตในการลักลอบอากาศยาน
ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาความคืบหน้าอย่างมีนัยสำคัญได้เกิดขึ้นในการวิจัยวัสดุคอมโพสิตที่ซ่อนตัวซึ่งกำลังพัฒนาไปสู่ลักษณะของความผอมบาง, ความเบา, การดูดซึมบรอดแบนด์ (สเปกตรัม) และความแข็งแรง (ความต้านทานต่อแรงกระแทก, ความต้านทานอุณหภูมิสูง) ตัวอย่างเช่น CF/PEEK หรือ CF/PPS แสดงประสิทธิภาพการดูดซับบรอดแบนด์ที่ยอดเยี่ยมดูดซับคลื่นเรดาร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ สหรัฐอเมริกาเป็นผู้บุกเบิกการใช้วัสดุการลักลอบในเครื่องบินด้วย f -117 และ f -22 เป็นผู้เคลือบที่มีการเคลือบมากที่สุด การเคลือบ stealth บน f -117 มีความซับซ้อนสูงซึ่งรวมถึงวัสดุต่าง ๆ ที่แตกต่างกัน
โครงสร้างหลักของสหรัฐอเมริกา f -22 นักสู้เหนือเสียง ใช้ประโยชน์จากพลาสติกวิศวกรรมพิเศษที่เสริมด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ ในทำนองเดียวกัน Mirage III การชะลอการชะลอตัวของ Parachute และส่วนประกอบเบาะนั่งขับเคลื่อนทำจากวัสดุดังกล่าวซึ่งได้นำไปใช้กับชิ้นส่วนที่ดูดซับเรดาร์เช่นซี่โครงอากาศยานสกินคอนเนคเตอร์และตัวยึด casing tomahawk cruise missile, substrate airframe ของ b -2 stealth bomber, และส่วนของ f -117 a stealth เครื่องบินยังใช้วัสดุการดูดซับโพลิเมอร์คาร์บอนไฟเบอร์
ใน 2000 กองทัพอากาศสหรัฐอัพเกรดวัสดุการลักลอบของ F -117 แทนที่การเคลือบเจ็ดชั้นดั้งเดิมด้วยวัสดุเดียว การเปลี่ยนแปลงขั้นตอนการบำรุงรักษาที่ได้มาตรฐานและวัสดุดูดซับเรดาร์ในทุก f -117 s ลดข้อกำหนดทางเทคนิคโดยประมาณ 50% โพสต์การอัพเกรดเวลาการบำรุงรักษาต่อชั่วโมงเที่ยวบินสำหรับ f -117 ถูกตัดมากกว่าครึ่งและค่าบำรุงรักษาประจำปีสำหรับทั้งหมด 52 f -117 S ลดลงจาก 14.5million, 6.9million ซึ่งแตกต่างจาก f -117, f -22 หลีกเลี่ยงการเคลือบเรดาร์ที่ดูดซับเรดาร์เต็มรูปแบบ แต่ใช้ ferrite การเคลือบเรดาร์ดูดซับกับส่วนประกอบโลหะภายในและภายนอกทั้งหมด การเคลือบนี้มีความทนทานทนต่อการสึกหรอและใช้งานได้ง่ายกว่าเมื่อเทียบกับระบบ F -117
ผู้เชี่ยวชาญทำนายว่าโดย 2030S คอมโพสิตขั้นสูงเช่นวัสดุอิเล็กโทรโมนิกพอลิเมอร์คอนดักเตอร์ hybrid semiconductor วัสดุ nanocomposites และเทคโนโลยีการลักลอบ stealth นวัตกรรมเหล่านี้สามารถเปลี่ยนระบบ Avionics และวิธีการควบคุมเครื่องบินได้โดยพื้นฐาน
แหล่งที่มา:วัสดุประกอบการบินและการวิเคราะห์เชิงกลของพวกเขาโดย Haitao Cui และ Zhigang Sun (บรรณาธิการ)