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飞机零件是“布”做的
2018/6/28 21:33:27  转载自: 互联网  
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  从古至今,咱中国人就沿用着用稻草或麦秸和上粘土泥巴盖房子,这用现在的话来讲就是一种复合材料,从泥瓦砖木,到铜铁铝钢,再到碳纤维、石墨烯,伴随着文明和科技的进步,人类对材料开发利用的广度和深度逐步加大加深。新材料技术的突破,正伴随着新一轮产业革命,改变我们的生活和所处的这个世界。今天要给你讲的材料的秘密绝对让人涨知识,看完以后没准你也灵光一现,创造出什么新材料也不一定噢!
  【“中国草”能变身小提琴?】
 
  这把小提琴,是意大利的经典样式。不过它可不是一把普通的木质小提琴,它有一个特殊的名字——碳麻琴。
  益小苏,就是这把小提琴的设计者,他被誉为航空新材料的魔法师。现在,他要让航空材料的高端技术用于民用领域,为民品带来巨大的升级空间。
  两年多以前,益小苏发现,市场上已经出现了一种用纯碳纤维材料生产的小提琴。碳纤维材料高强度、低密度、耐腐蚀,可以规避传统木质小提琴受气温、湿度影响导致音色出现差别的难题,重量也能减小3/4,还能节省大量木材。
  但纯碳纤维的小提琴,却有一个严重的缺点。碳纤维的琴它的刚度很高,就意味着它尖音很尖,用纯碳纤维的琴去演奏一个很欢快的高音的曲子非常好,但是如果拉舒缓的《梁祝》那就不行了,低音和中音都不够。
 
  什么材料能解决纯碳纤维的这个缺陷呢?利用在航空材料领域积累的经验和技术,益小苏在不同的材料间反复尝试,最后他发现,最理想的材料就是中国传统的苎麻。全世界苎麻的90%以上产自中国,也被称作中国草。因为颜色洁白,有丝样光泽,在古代,苎麻不但是生产服装的高档原料,也被作为珍贵的贡品。
  把麻纤维做成织物,与碳纤维复合,益小苏生产出了目前全世界唯一一把碳麻复合材料制作的小提琴。
  这种材料同时规避了木质小提琴和纯碳纤维小提琴的缺陷,不会随着温度、湿度发生变化,状态十分稳定。为了让这把小提琴更加完美,益小苏还与多位小提琴演奏家反复沟通研究,对于他们的不同需求了如指掌后,他开始通过调节碳纤维和麻纤维的比例,来调节小提琴的音色。
  今年下半年,第一批碳麻琴就将正式推向市场。除了音乐领域,益小苏还尝试将这种新材料应用到更广泛的领域。滑雪板的固定器,用碳麻复合材料做成的自行车。未来将会有更多节能环保的材料应用到工业产品中。
  【飞机零件是“布”做的?】
  这里是航空碳纤维复合材料的生产车间。
 
  每隔四五天,女工马海艳都要将新的纤维轴仔细地挂在轴架上。每个纱束里有3000多根丝束。纤维在走的过程中,不能断纱,不能劈丝。这是碳纤维复合材料制造的第一步。
  生产复合材料原材料的这台设备看上去更像是个织布机,经过整纱、导引、梳理,600多根纤维纱排成一张布的形态,加入一种树脂,通过设备上下胶膜定型,便完成了预浸料的生产过程。
  一张预浸料最薄的只有0.1毫米厚,要想最终变成复合材料,做飞机或轮船的零部件,需要层层铺叠。有的甚至需要铺叠三百多层。
  做好的预浸料是宽带状的,更适合制造平面结构的零部件,但飞机的零部件有大量的类似这样的复杂曲面结构,这又是如何完成的呢?
  铺丝铺带车间里,一台大型的机械手正在按设定的程序自动铺叠。要实现精准的制造,必须得采用这种自动化的设备,才能保证铺放的路径跟当初设计的路径完全一致,而且达到稳定重复,这样才能够保证飞机的安全。铺丝技术是解决民机机身用复材的最关键的基础技术,这个技术如果不解决,复材机身就根本造不出来。
  为了制造不规则形状或曲面结构的零部件,带状的预浸料被切成6.35毫米的带丝,一卷卷带丝通过这台铺丝机按照设定的程序进行自动铺叠。
  用手工铺叠制造产品,材料利用率在百分这五十和六十左右,而用自动铺丝技术,材料利用率在90%以上。
  层层叠加而成的复合材料在使用的过程中可能会出现劈裂或起层,给飞机造成安全隐患,解决这个问题的关键是要用这个大缝纫机将几十层几百层的复合材料缝合起来。
  在这个车间里,工人正在穿针引线。线是这是凯夫拉纤维,大多用来做防弹衣上的玻璃钢线。缝合好的材料加入树脂固化成型后,就变成这样一个飞机上的制件。
  用缝合来代替铆接,不但起到加强加固的作用,还会降低制造的成本。而原本软软的材料是如何固化成为具有刚度和强度的飞机零部件呢?
  工人们正在吊装的是一个无人机的机翼,今天要送进高温高压热压罐中进行固化。
  将这样一个大型的飞机零部件固化定型,温度的均匀性至关重要,零部件在罐体内的摆放就很讲究,是放在罐头还是罐尾,高度多少,都要经过精密的设计。
 
  固化过程要经过18个小时的抽真空和加压升温,温度最高能达到230度。固化成形后,软软的布一样的机翼就变成一个刚度和模量都非常大的一个零件的状态。
  这个直径7米,长30米的热压罐,也可以为我们国家未来大型宽体客机的部分机身进行整体固化定型。
  【石墨烯手机来了?】
  史浩飞,这位80后的青年学者,是中国石墨烯规模化制备技术的原创发明人之一。
  6年前,为了做研究,史浩飞曾经在美国购买过一片石墨烯薄膜,面积仅有4英寸大小,却花掉了1000美元。最初的时候,这种石墨烯薄膜只能在实验室进行制备,所以根本没有办法获取。这个技术也被少数几个实验室当做最核心的技术秘密。
 
  这是2013年底,史浩飞团队研制成功的全世界第一条大规模石墨烯薄膜生产线,年产能为100万平方米。这里所有生产设备都是中国自主知识产权,因为涉及到大量技术秘密,这条生产线还从未对外界开放。
  这台设备,是在1000摄氏度的高温环境中,由碳原子在铜片的衬底上沉积,连接,生长,最终形成一层石墨烯薄膜。
  石墨烯薄膜的大规模生产在全球都是一个难题,在这里实现量产还只是过了第一关,怎么把大面积的石墨烯薄膜从它生长的衬底上揭下来难度更大。薄膜太薄,揭下来容易撕裂,怎么办?在今晚的《感受中国新动能:新材料的秘密》里将细细道来。
  这条生产线,已经能批量生产15英寸直径的片状的石墨烯薄膜,成本也压低到了每张几十元。在另外一件实验室里,第三代生产线正在研制,能将第二代的生产效率再提升数十倍。
  实验室里,科学家们已经突破了石墨烯薄膜连续生产和转移的关键技术,但如何开发石墨烯薄膜的应用领域,实现产业化却是一个急待解决的难题。
  在企业的产品实验室,工程师张亮正带领团队寻找石墨烯薄膜的应用方向。
 
  这是张亮他们最看重的一款新产品原型,用石墨烯材料制作的柔性手机。把它拉直了就变成了一个普通的手机,缠在手上,就是一个可穿戴性的设备。
  手机的显示屏是石墨烯材料的,非常柔软、可以随意卷曲。未来的柔性的屏就能做到像一张纸一样薄。
  因为石墨烯具有近乎全透明的透光性能,同时兼备了高导电率和很好的柔性,石墨烯将替代现有的透明导电材料,推动现有显示屏、触摸屏的升级换代,已经是全球公认的产业方向。
  摆在眼前的问题是,用石墨烯制成的显示屏和触控屏,都能单独地生产出来,但要把这两个柔性的屏幕完美贴合到一起,生产出真正的柔性手机,却是一个世界性的难题,LG、三星等行业巨头目前都瞄准着这一领域却还未得到突破。
  可是,就在中国的重庆,研发团队已经在实验室中制造出了柔性手机屏幕。他们的下一个目标,是在2018年之前,生产出全球第一批石墨烯手机屏。

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