注入型复合金属泡沫

飞机机翼的前缘必须满足非常苛刻的特性。美国北卡罗来纳州立大学最新研究表明，与目前广泛使用的铝相比，钢复合金属泡沫和环氧树脂的组合材料具有更理想的应用特性。
该论文的通讯作者，北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程教授阿夫萨内·拉比伊（Afsaneh Rabiei)说：“我们将混合材料称为'注入型复合金属泡沫'，尽管这种材料与铝的重量大致相同，但从飞行性能，安全性和燃油效率的角度来看，它的强度更高，并具有其他特性，使其更具吸引力。”
复合金属泡沫是一种泡沫，它由空心的金属球（由不锈钢或钛等材料制成）组成，并嵌入由钢，铝或金属合金制成的金属基质中。在这项研究中，研究人员使用了钢复合金属泡沫，这意味着球体和基体均由钢制成。之前的研究发现，这种金属泡沫非常坚硬：它可以承受0.50口径的子弹冲击，可以抵抗高温，并能阻止高爆炸弹带来的爆炸压力。
通过将钢复合金属泡沫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以及进入钢基质本身的微细孔中，制成注入型复合金属泡沫，这导致复合金属泡沫的孔中约88％被环氧树脂填充。
然后研究人员测试了注入型的复合金属泡沫和航空级铝，以观察它们在三个方面的表现：接触角（确定水从材料中流出的速度）；以及昆虫附着力（昆虫附着在材料上的程度）；和颗粒磨损（材料承受侵蚀的程度）。所有这些因素都会影响机翼前缘的性能。
接触角是水在表面上的聚集程度的量度。材料的接触角越小，水附着在表面的数量就越多。这与飞机机翼有关，因为机翼上的积水会影响飞机的性能。研究人员发现，注入型复合金属泡沫的接触角比铝高130％，显著改善。
昆虫的附着力有两种测量方法：一种是在材料上积聚的昆虫残留物的最大高度；另一种是通过材料表面上的昆虫残留物覆盖的面积。同样，注入型的复合金属泡沫优于铝，在最大高度方面达60％，在覆盖表面积方面达30％。
研究人员还进行了喷砂实验，以模拟使用飞机机翼时随时间推移发生的磨损引起的腐蚀。研究人员发现，尽管喷砂处理确实增加了注入型复合金属泡沫的表面粗糙度，但仍然比航空铝更好。例如，在最坏的情况下，注入型复合金属泡沫的接触角仍然比铝高50％。
换句话说，注入型复合金属泡沫通过侵蚀和磨损保留了其特性，这表明它可以使机翼组件具有更长的使用寿命，并减少与维护和更换相关的成本。
拉比伊说：“铝是制造固定翼和旋翼飞机机翼前缘的首选材料。我们的研究表明，注入型复合金属泡沫可能是有价值的替代品，在相同重量的情况下提供更好的性能。出于同样的原因，这项研究证明我们可以对基质或球体使用不同的材料，以创造出一种性能与传统铝一样好，重量更轻的复合材料。无论哪种方式，您都可以提高性能和燃油效率。”
这篇名为《聚合物注入复合金属泡沫作为潜在的飞机前缘材料》的论文发表在《应用表面科学》杂志上。美国航空航天局支持了本研究。