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氮化硼纳米管(BNNT)在航空增强铝基复合材料方面发挥着关键作用

发布时间:2024-05-30

战斗机重量若减轻15%,则可缩短飞机滑跑距离15%,增加航程20%,提高有效载荷30%。在飞机行业,高强度轻量化铝合金扮演着至关重要的角色,从莱特兄弟时代的铝合金发动机曲柄箱,到现代运载火箭的结构材料,铝及铝合金一直是航空领域中的主力材料之一。其优点包括质轻、耐腐蚀等特性,与航空行业对轻量化、高性能材料的需求密切相关。



△表1:铝合金发展特征性能、关键技术与特征微结构(数据来源:火石创造)

随着飞机设计思想的不断创新,现代飞机对构件制造提出了越来越高的要求,尤其是对轻量化、宽敞化、舒适化、长寿命、高可靠和低成本的需求。这推动了高强铝合金的发展,从而进一步促进了飞机技术的进步。

在铝合金的发展历程中,航空铝合金经历了不断优化和演进的阶段。从最初的铝合金材料到现代高强度轻量化铝合金,科学基础技术的研发起到了关键作用。研究人员不断努力提升材料的成分组成、热处理工艺、加工工艺等方面,以提高铝合金的性能,满足飞机制造的需求。

然而,在实际应用中,高强度轻量化铝合金在飞机行业面临着诸多技术挑战。除了前文提到的技术设备壁垒和认证壁垒外,还包括对材料的质量稳定性、成品率以及制造成本的控制等方面的挑战。解决这些问题需要不断加大科研投入,推动智能制造工艺的发展,以及加强国际技术合作,共同推动高强度轻量化铝合金在飞机行业的应用。


△氮化硼纳米管铝基母合金增强颗粒,氮化硼纳米管含量为5wt%

氮化硼纳米管对于航空增强铝基复合材料的作用

氮化硼纳米管(BNNT)在增强铝基复合材料(Al-BNNT)方面发挥着关键作用。其优异的弹性模量、抗拉强度、高温稳定性和高抗氧化温度,使其成为铝基复合材料的有效增强体。与碳纳米管(CNT)相比,BNNT具有更好的高温稳定性,能够减少在铝基复合材料界面产生的体积和反应产物,从而提高了复合材料的机械性能。此外,BNNT的高断裂应变和与铝基体的紧密结合,进一步增强了复合材料的强度。


△氮化硼纳米管增强的铝基母合金可用在飞机上的多种结构设计,如蒙皮、框架、螺旋桨、油箱、壁板和起落架支柱等,以及发动机活塞等高温强度要求高的构件中也发挥着重要作何用

大连义邦的氮化硼纳米管铝基母合金增强颗粒,已应用于国外铝基复合材料领域,尤其是航空航天、汽车以及轻量化结构零部件等领域。另外,大连义邦引入的氮化硼纳米管铝基母合金增强颗粒中的氮化硼纳米管具有独特的工程表面结构,不规则的纳米管表面使纳米管在铝合金中更易分散,同时还能加强与铝合金基体的交联,从而更有利于提升强度,并且氮化硼纳米管在铝合金小颗粒中已经形成充分的预润湿,加入铝熔体后也更易与铝在原子水平上的结合。

经国外ECK Industries军工企业反馈,将大连义邦氮化硼纳米管铝基母合金颗粒,加入到某牌号铝合金铸件中,在最终铝铸件中氮化硼纳米管含量仅需0.4wt%,即可实现铝合金机械强度60-70%,或同等强度下,减重高达50%以上。目前,美国已将这些铝基复合材料用于航空器,可使质量减重达到20%。另外铝基复合材料还可以用于战斗机、直升机等大飞机的机翼、方向舵、襟翼、机身、蒙皮等部件,既增强结构强度,也可实现结构减重。


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