用于飞机机翼的复合金属泡沫优于铝
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飞机机翼的前缘必须满足一系列非常苛刻的特性。新的研究表明，与目前广泛使用的铝相比，钢复合金属泡沫（CMF）和环氧树脂的组合作为前沿材料具有更理想的特性。
“我们称我们的混合材料为‘注入的CMF’，”Afsaneh Rabiei说，他是一篇关于这项工作的论文的通讯作者，也是北卡罗来纳州立大学的机械和航空航天工程教授。“虽然注入CMF的重量与铝差不多，但它更坚硬，而且从飞行性能、安全性和燃油效率的角度来看，它还有其他一些特点，使其更具吸引力。”
CMF是一种泡沫，由空心金属球组成——由不锈钢或钛等材料制成——嵌入由钢、铝或金属合金制成的金属基体中。在这项研究中，研究人员使用了钢制CMF，这意味着球体和基体都是由钢制成的。之前的研究发现金属泡沫非常坚硬：它可以能承受点50口径的子弹，抵制高温,阻止爆破压力来自高爆燃烧弹。
注入的CMF是通过将钢CMF浸入疏水性环氧树脂中，并使用真空力将树脂拉入空心球体和钢基体本身中发现的小得多的孔中制成的。这导致约88%的CMF孔隙被环氧树脂填充。
研究人员随后测试了注入CMF和航空航天级铝，以观察它们在三个方面的表现:接触角，这决定了水从材料中流过的速度;昆虫的粘附力，即昆虫部分与材料的粘附程度;以及颗粒磨损，也就是材料抵抗侵蚀的能力。所有这些因素都会影响飞机机翼前缘的性能。
接触角是衡量水在表面上形成水珠的程度。材料的接触角越低，水附着在表面的程度就越高。这与飞机机翼有关，因为机翼上的积水会影响飞机性能。研究人员发现，注入CMF的接触角比铝高130%，这是一个显著的改善。
昆虫粘附力的测量方法有两种:一是昆虫残留在材料上的最大高度，二是昆虫残留在材料表面的面积。同样，注入CMF的性能优于铝-在最大高度方面优于60%，在覆盖的表面积方面优于30%。
研究人员还进行了喷砂实验，以模拟飞机机翼在使用过程中随着时间的推移而发生的磨损和撕裂所造成的侵蚀。研究人员发现，虽然喷砂确实增加了注入CMF的表面粗糙度，但它仍然比铝更好。例如，在最糟糕的情况下，注入CMF的接触角仍然比铝的接触角高50%。
换句话说，注入的CMF通过侵蚀和磨损保持了其性能，这表明它将为前缘机翼组件提供更长的寿命，并降低与维护和更换相关的成本。
“铝是目前固定翼和旋翼飞机机翼前缘的首选材料，”Rabiei说。“我们的结果表明，注入的CMF可能是一种有价值的替代品，在相同重量的情况下提供更好的表现。
“出于同样的原因，结果表明我们可以使用不同的材料作为基体或球体，创造出一种组合，在重量不到传统铝的情况下表现得和传统铝一样好。无论哪种方式，你都在提高性能和燃油效率。”
纸”,聚合物注入复合金属泡沫作为一种潜在的飞机前沿材料，”发表在杂志上应用表面科学. 这篇论文的第一作者是雅各布·马克思博士。北卡罗来纳州的学生。该论文由美国宇航局兰利研究中心的塞缪尔·罗宾斯、赞恩·格雷迪、弗兰克·帕尔米里和克里斯托弗·J·沃尔合著。
这项研究是在美国宇航局的资助下完成的，资助号为NNX17AD67A。
希普曼-
编辑:研究摘要如下。
聚合物注入复合金属泡沫塑料作为潜在的飞机前沿材料
作者：Jacob C.Marx和Afsaneh Rabiei，北卡罗来纳州立大学；美国宇航局兰利研究中心的塞缪尔·J·罗宾斯、赞恩·A·格雷迪、弗兰克·L·帕尔米里和克里斯托弗·J·沃尔
出版: 10月18日,应用表面科学
DOI：10.1016/j.apsusc.2019.144114
文摘:为了提高飞机的飞行性能、安全性和燃油效率，机翼前缘必须不受昆虫粘附、积冰和颗粒磨损引起的三维干扰。在这项工作中，我们探索了一种创新的解决方案，将不锈钢复合金属泡沫（SS CMF）与疏水性环氧树脂系统混合。S-S CMF由100%不锈钢采用粉末冶金技术制成。注入的环氧树脂填充了SS CMF结构所特有的宏观和微观孔隙，形成了一种密度类似于铝的产品。测量了新型注入复合金属泡沫的接触角、磨损率、耐腐蚀性和昆虫附着性，并与铝、环氧和不锈钢进行了比较。确定注入过程可填充SS CMF内多达88%的孔隙，并发现可减少润湿性和昆虫残留物的累积。注入SS CMF的接触角比其母材不锈钢高43%，比铝高130%。与铝相比，昆虫残体的最大高度和面积覆盖率分别降低了60%和30%。模拟侵蚀的喷砂试验导致铝的粗糙度比母体环氧树脂或树脂注入SS CMF的粗糙度增加更大。这些结果表明，注入SS CMF的耐久性和性能优于铝，铝是当前选择的前沿材料。基于在相关磨损和侵蚀条件下的有希望的结果，可以得出结论，注入SS CMF可以为铝前缘材料提供潜在的定制替代品。
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