樹脂注入CMF——極具潛力的機翼前緣鋁合金替代材料

飛機機翼的前緣材料需要滿足一系列嚴苛的性能要求。最新研究表明，將複合金屬泡沫（CMF）與環氧樹脂結合使用能夠獲得比現在普遍採用的機翼前緣鋁合金材料更理想的性能。

美國北卡羅來納州立大學力學與宇航工程專業教授Afsaneh Rabiei表示：「我們稱這種複合材料為『樹脂注入CMF』，它具有與鋁合金相仿的密度，從飛機飛行性能、安全性和燃油效率的角度來看，它韌性更好，一些其它的優異性能也很有吸引力。」

CMF是將不鏽鋼或鈦合金的空心金屬球嵌入到不鏽鋼、鋁合金或其它金屬基體中獲得的泡沫材料。在該研究中，研究者採用了空心球和基體均為不鏽鋼的鋼-鋼CMF。前期研究發現，這種金屬泡沫具有很高的韌性，能夠承受0.50口徑的炮彈作用，能夠抵禦高溫，並阻擋高爆燃燒彈的爆炸威力。

樹脂注入CMF是將鋼-鋼CMF浸入疏水環氧樹脂中，在真空條件下，使樹脂進入空心球內部和不鏽鋼基體更小的孔洞中。經此工藝，CMF中有88%的孔洞被環氧樹脂填充。

研究者隨後測試了樹脂注入CMF和航空級鋁合金的性能，以考察它們在影響機翼前緣性能的三個方面的表現。三種性能包括：決定水對材料表面溼潤性能的接觸角；昆蟲粘附性，或昆蟲在材料表面的粘附力；顆粒耐磨性，或材料抵抗侵蝕的能力。

接觸角用來衡量水在材料表面形成水珠的程度，材料的接觸角越小，對水的粘附性越強，越親水。該性能與機翼相關，因為機翼上的積水情況會影響飛機的飛行性能。研究者發現樹脂注入CMF的接觸角比鋁合金高130%，性能大幅提升。

昆蟲粘附性通常採用兩種方法測量：一是材料表面昆蟲殘留物的最大堆積高度，二是材料表面昆蟲殘留物的覆蓋面積。在這個測試項目上，樹脂注入CMF同樣優於鋁合金，最大堆積高度降低了60%，覆蓋面積減少了30%。

研究者還通過噴砂實驗，來模擬機翼在飛行過程中出現的磨損。實驗結果表明，儘管噴砂實驗也造成了樹脂注入CMF材料表面的粗糙度變大，但材料性能仍然優於鋁合金。比如，在最壞的情況下，樹脂注入CMF的接觸角仍比鋁合金高50%。換句話講，樹脂注入CMF能夠在摩擦磨損實驗中更好地保持表面性能，因此採用這種材料製造的飛機前緣會擁有更長的服役壽命，同時降低與維護和更換相關的成本。

"目前，鋁合金是現役飛機固定翼和旋轉翼前緣的材料選擇，」Rabiei表示。「我們的實驗結果表明，樹脂注入CMF是一種極具價值的替代品，在相同重量下能表現出更好的性能。同時，實驗結果還表明，我們可以採用不同的基體和球體材料獲得與鋁合金性能相同而重量更輕的材料。不管怎樣，都能提升機翼性能和燃油效率。」

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