最新研究表明水分是飞机复合材料老化的关键驱动因素

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

　　澳大利亚莫纳什大学和皇家墨尔本理工大学的一项新研究表明，吸湿可能是导致航空级碳纤维复合材料长期性能下降的主要原因。这项发表在《复合材料A辑：应用科学与制造》上的研究，解答了航空航天工程领域长期存在的一个难题：究竟是什么因素导致了构成现代飞机结构核心的复合材料的缓慢老化？

　　碳纤维增强聚合物（CFRP）因其轻质高强的特性而广泛应用于当今的飞机机身。然而，它们也会受环境因素的影响。经过多年的使用，这些材料会逐渐从大气中吸收水分，而这种影响对长期结构性能的影响，此前一直难以量化。研究人员的发现打破了这一难题。

　　莫纳什大学的凯瑟琳·格里戈里乌博士说：“我们发现，真正重要的并非老化温度或湿度，而是材料最终吸收的水分总量。这意味着，如果我们了解水分是如何在复合材料结构内部积聚的，我们就能更可靠地预测它在多年使用过程中的性能。”

研究重塑了人们对飞机复合材料老化的认知

　　几十年来，航空航天测试主要依赖加速老化试验，即将材料置于高温高湿环境下，在短短几周或几个月内模拟多年的运行环境。人们普遍认为，更严苛的环境条件会导致不同类型的材料劣化。然而，新的研究结果表明并非如此。相反，温度和湿度似乎主要起到加速作用，虽然影响水分渗入材料的速度，但并不会从根本上改变材料的劣化方式。

　　“我们的研究结果表明，只要能够正确理解和控制材料中的含水量，加速老化方法仍然可以可靠地预测材料的长期性能。”格里戈里乌博士解释道。

　　这种区别至关重要。这意味着工程师可以改进测试方案，减少对特定气候条件的模拟，而更多地关注如何精确地模拟复合材料结构内部水分随时间推移的积累情况。　　　　　　　　

微观损伤揭示复合材料内部的弱化过程

　　研究团队利用先进的成像技术，研究了不同碳纤维层压板设计在长期环境暴露下的响应。他们观察到的并非剧烈的失效，而是渐进的内部变化。微小的空隙开始形成，微裂纹在聚合物基体中扩展，纤维与树脂之间的结合——正是这一界面赋予复合材料强度——开始减弱。

　　至关重要的是，并非所有复合材料的表现都相同。纤维的内部排列方式，即层压结构，起着决定性的作用。某些结构能更好地保持强度，而另一些结构则更容易受到潮湿环境的影响而发生降解。

　　这为设计更具韧性的材料开辟了道路，在这种设计中，纤维取向和层压不仅要优化强度和重量，还要优化长期的环境耐久性。

为什么碳纤维复合材料对现代飞机设计至关重要

　　这项研究的意义远不止于实验室成果，它触及了现代飞机设计的核心。在过去的二十年中，复合材料已经从辅助材料发展成为结构主体。像波音787和空客A350这样的飞机，其超过一半的结构都依赖于碳纤维复合材料，尤其是在机翼和机身部分。

　　这些材料具有显著优势。它们比传统金属轻得多，从而降低了油耗和运营成本，同时保持了卓越的强度和耐腐蚀性。与易疲劳和氧化的铝不同，复合材料在恶劣环境下本身就更加稳定。这种耐久性是其在商业和军事航空领域广泛应用的关键驱动因素之一。

　　但随着其应用范围的扩大，人们也越来越需要了解它们在数十年服役过程中的性能表现。

未来飞机材料聚焦耐久性和全寿命周期性能

　　这些发现也契合了航空航天材料科学领域更广泛的转变，即耐久性、可持续性和全寿命周期性能的重要性与强度不相上下。根据空客对未来材料的研究，下一代飞机将依赖于更轻、更强，且在整个生命周期内更耐用、资源利用效率更高的材料。

　　这包括以下方面的进步：热塑性复合材料，更易于回收利用，生产能耗更低；生物基碳纤维，源自生物质等替代原材料；数字材料建模，使工程师能够利用虚拟“数字孪生”跟踪性能并预测性能退化。

　　在此背景下，了解湿度驱动的老化并非小众问题，而是设计出在更长使用寿命内保持可靠性，同时满足更严格的环境和经济要求的飞机的关键所在。

潮湿驱动的老化可能重塑飞机

　　维护和设计如果能够精确追踪或模拟水分吸收，航空公司和军方就能更好地预测复合材料部件何时开始劣化，从而降低不确定性，避免不必要的检查或过早更换。

　　通过选择不易受潮湿损害的纤维结构，工程师可以制造出强度保持更长时间的结构，从而提高安全裕度并降低全寿命周期成本。

　　长期以来，复合材料一直被视为航空业的一大成功案例，它使飞机更轻、更高效、性能更强大。然而，与金属相比，复合材料的脆弱性始终更为隐蔽。它们不会出现肉眼可见的腐蚀或裂纹。它们的劣化过程缓慢、内部发生，而且往往难以察觉。（逸文）