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我歼20复合材料使用率比F22低6% 隐身涂料却进步1代
2018-10-19 17:23:21   发布者:System

近日,有媒体公开了一组歼20的最新照片,此次公布的照片都是底漆状态的歼20并且清晰度都比较高。此次曝光中的歼20战机,在包括机身,机翼,垂尾,进气口以及鸭翼部分都拥有明显颜色不同的复合材料窗口。


有人可能会问,歼-20使用多少比例的复合材料?


现代隐身战机机身大量使用钛合金等复合材料已经不是秘密。新型复合材料质量轻韧性高,对于提高现代隐身战机的机动性和其他性能指标至关重要。美国F22机身复合材料使用率达到了26%左右。为了提高机翼性能,其机翼复合材料使用率高达95%左右,大量复合材料使用在提高战机性能的同时,也致使改型战机造价长期居高不下。


歼20作为一款性能最为先进五代隐身战机,大量使用复合材料是毋庸置疑的,但具体使用多大比例没有具体数据。据有关专家透露,歼20复合材料使用比率达到了20%左右。有人问为什么不使用更高比率的复合材料?其实这是一个复杂的系统工程,关乎复合材料制造,设计,制造等多个环节。所以战机增加复合材料比例不是一件简单的事。

专家指出,复合材料应用到战机上,需要综合考虑考虑复合材料结构性能的可设计性和结构成型与材料形成等。大家都说F22是温室的战机,对环境保养等要求非常高,就连机身材料填缝都是白银制成的。这款战机除了杀鸡儆猴在叙利亚进行了反恐作战实践之外,至今也没有经过大的实战检验。一种复合材料制造使用可能涉及设计师、应力分析、材料和工艺、制造、质量控制、后勤保障工程师(可靠性、维护性和生存性)和成本估算师等,所以这是一个复杂的巨系统。我国在高端复合材料设计制造方面总体上还处于追赶的上升阶段。目前我们在复合材料方面与国际先进水平还有差距。

所以歼20复合材料使用率能够达到20%已经是一个很不错的成就。复合材料使用率成为衡量未来战机性能的一个重要指标,歼20以及未来战机不断加大新材料使用比率将是新趋势。

歼20使用了哪些复合材料?


从歼20的照片,到处可见到基础工业、装备制造业水平、材料科学、电子科学等各个方面取得了质变的迹象和结论。


歼20采用的气泡式整体座舱盖,其材料是高分子聚碳酸酯材料。机身墨绿色,完全不同于三代机的黄皮机,是采用了复合材料和隐身涂料。发动机尾喷口采用了耐超高温的羰基陶瓷与金属整体复合材料。歼20机身比起T50无见任何外露式天线和光电雷达端口,保证隐形性能,这是采用了光电雷达在机身环形隐蔽布置,分布数据整体集合成像先进技术的特征,也是电子技术质变的一个特征。歼20机身极长,机内主承重梁必然采用了高强度、低重量、高难加工、需要N万吨压力成型机才能加工成型的钛合金主梁。歼20气动设计中巨量的风洞吹风和计算,则依赖于大型超级计算机。

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高性能碳纤维复合材料


碳纤维复合材料在军事航空领域到底有多么重要的作用呢?据悉,将复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明显的减重作用,大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能。数据显示采用复合材料结构的前机身段,可比金属结构减轻质量31.5%,减少零件61.5%,减少紧固件61.3%;复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。


美国第四代战斗机F22采用了约24%的碳纤维复合材料,从而使该战机具有超高音速巡航、超视距作战、高机动性和隐身等特性。美国防部在“面向21世纪国防需求的材料研究”报告中强调,“到2020年,只有复合材料才有潜力使装备获得20-25%的性能提升”。


新型复合材料对军用航空的有重要意义。据媒体报道,中复神鹰率先在国内建成了首条基于干喷湿纺工艺的碳纤维生产线,实现了连续稳定运行。其T800碳纤维生产线规模扩大到百吨级,有进一步扩大生产能力的潜力,届时将真正实现中国高强度中等模量碳纤维的产业化生产,实现中国碳纤维行业的战略破局。


歼20要达到超音速巡航,除了性能优异的大推力发动机外,使用碳纤维复合材料实施减重,也对性能指标的实现有极大的帮助。空重17吨的歼20战斗机如果使用30%以上的复合材料,减轻的重量可以增加载油量或载弹量。

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新型碳陶复合材料


据报道,中国已经在近几年定型的战机——包括歼20、歼10B、歼15上应用了新的碳陶复合材料刹车。这种基于碳-碳基础上进行改性的新改进型材料,虽然是德国等西方国家在上世纪80-90年代率先展开研制的,但是至今主要应用在高档汽车上,在飞机上实用化的,目前仅有中国一家。


战斗机降落时是否需要放伞,一则是看刹车性能是否足够——而材料则是最关键的一点;二则是取决于战机运作能力的要求,以及使用成本之间的妥协。传统的刹车材料分为三代,第一代主要是石棉塑料/铸铁,第二代主要是粉末合金钢材,第三代则是碳-碳刹车。


这几代材料中,最关键的性能提升在于能在更承受更高的温度而不会出现制动性能下降甚至全面丧失的情况;比如第一代材料做的刹车,其高温区域温度最高只能达到200-250度,到了碳-碳刹车时就达到700度了。


但是碳-碳刹车并非全无缺陷。首先是高温下,碳-碳结构易于被氧化,在370度上就会开始发生。因此从上世纪80-90年代开始,利用高温抗氧化的陶瓷材料对碳-碳材料进行改良,利用陶瓷阻断碳的氧化过程,就成了一个很有潜力的发展方向——虽然最初它更多是应用于高超声速飞行器的隔热耐热防护。


由于碳化硅陶瓷由于制取相对容易,而且它随着温度而膨胀收缩的特性又与碳-碳材料十分匹配,因此它成了一个非常热门而且福有实用化潜力的发展方向。比如美国X-38飞行器的鼻锥就是用碳化硅陶瓷改性的碳-碳材料做的。


而在做刹车材料时,碳-碳材料的另一个缺点是静摩擦系数不高,而且比较爱吸潮,一旦处于湿态摩擦系数就衰减严重,制动性能会有很明显的下降。而在引入一定数量的碳化硅这样的硬质材料作为基体的一部分以后,刹车对于包括水分、油分、霉菌等外界环境介质的敏感性急剧下降了。


碳-陶刹车在飞机上的实用化,主要是在引入碳化硅的过程中,对于硅的残留量很难把握;因此在刹车表面温度最高能达到1200度以上的情况下,有可能因为硅的融化导致摩擦性能不稳定——甚至摩擦失效、完全丧失制动能力。


根据国内的报道,国内目前已经解决了硅残留问题等重大技术难关。利用碳化硅改良碳-碳刹车的碳陶刹车,静摩擦系数高1-2倍,湿态下的摩擦性能衰减只有原来的40%,使用寿命能达到原来1-2倍。而且由于碳沉积等工艺上的不同,新的碳陶刹车在性能更好的同时,更易于生产且更便宜。其生产周期只有原来的1/3,价格只有原来的2/3。

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歼20服役后隐身涂料进步一代


隐身涂料发展到今天已经是第三代了,第一代隐身涂料是黑色,第二代是银灰色,或者黑灰色。第三代是银白色,或者白色。这种涂料可以直接喷涂覆盖机身形成一种纳米隐形镀膜层,强度和韧性远超铁氧体材料。现在歼20也采用了浅色调新型隐形涂料。关于隐身涂料有个说法就是颜色越浅技术越先进。歼20的在研制过程中,隐身涂料的研发脚步也没有停止。

歼20的出现,并不仅仅是中国战机的一个里程碑,更是中国整个基础工业、装备制造业、材料科学、电子科学等各个相关领域的一个重大突破。歼20要想在未来实现超音速巡航性能,除了大推力发动机以外,必须还要使用复合材料为战机减重,这在中国缺乏大功率发动机的现实下,具有很大意义。


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