10.21 飛機機翼新材料：複合金屬泡沫

注入型複合金屬泡沫

飛機機翼的前緣必須滿足非常苛刻的特性。美國北卡羅來納州立大學最新研究表明，與目前廣泛使用的鋁相比，鋼複合金屬泡沫和環氧樹脂的組合材料具有更理想的應用特性。

該論文的通訊作者，北卡羅來納州立大學機械和航空航天工程教授阿夫薩內·拉比伊（Afsaneh Rabiei)說：“我們將混合材料稱為'注入型複合金屬泡沫'，儘管這種材料與鋁的重量大致相同，但從飛行性能，安全性和燃油效率的角度來看，它的強度更高，並具有其他特性，使其更具吸引力。”

複合金屬泡沫是一種泡沫，它由空心的金屬球（由不鏽鋼或鈦等材料製成）組成，並嵌入由鋼，鋁或金屬合金製成的金屬基質中。在這項研究中，研究人員使用了鋼複合金屬泡沫，這意味著球體和基體均由鋼製成。之前的研究發現，這種金屬泡沫非常堅硬：它可以承受0.50口徑的子彈衝擊，可以抵抗高溫，並能阻止高爆炸彈帶來的爆炸壓力。

通過將鋼複合金屬泡沫浸入疏水性環氧樹脂中，並使用真空力將樹脂拉入空心球體以及進入鋼基質本身的微細孔中，製成注入型複合金屬泡沫，這導致複合金屬泡沫的孔中約88％被環氧樹脂填充。

然後研究人員測試了注入型的複合金屬泡沫和航空級鋁，以觀察它們在三個方面的表現：接觸角（確定水從材料中流出的速度）；以及昆蟲附著力（昆蟲附著在材料上的程度）；和顆粒磨損（材料承受侵蝕的程度）。所有這些因素都會影響機翼前緣的性能。

接觸角是水在表面上的聚集程度的量度。材料的接觸角越小，水附著在表面的數量就越多。這與飛機機翼有關，因為機翼上的積水會影響飛機的性能。研究人員發現，注入型複合金屬泡沫的接觸角比鋁高130％，顯著改善。

昆蟲的附著力有兩種測量方法：一種是在材料上積聚的昆蟲殘留物的最大高度；另一種是通過材料表面上的昆蟲殘留物覆蓋的面積。同樣，注入型的複合金屬泡沫優於鋁，在最大高度方面達60％，在覆蓋表面積方面達30％。

研究人員還進行了噴砂實驗，以模擬使用飛機機翼時隨時間推移發生的磨損引起的腐蝕。研究人員發現，儘管噴砂處理確實增加了注入型複合金屬泡沫的表面粗糙度，但仍然比航空鋁更好。例如，在最壞的情況下，注入型複合金屬泡沫的接觸角仍然比鋁高50％。

換句話說，注入型複合金屬泡沫通過侵蝕和磨損保留了其特性，這表明它可以使機翼組件具有更長的使用壽命，並減少與維護和更換相關的成本。

拉比伊說：“鋁是製造固定翼和旋翼飛機機翼前緣的首選材料。我們的研究表明，注入型複合金屬泡沫可能是有價值的替代品，在相同重量的情況下提供更好的性能。出於同樣的原因，這項研究證明我們可以對基質或球體使用不同的材料，以創造出一種性能與傳統鋁一樣好，重量更輕的複合材料。無論哪種方式，您都可以提高性能和燃油效率。”

這篇名為《聚合物注入複合金屬泡沫作為潛在的飛機前緣材料》的論文發表在《應用表面科學》雜誌上。美國航空航天局支持了本研究。