树脂注入CMF——极具潜力的机翼前缘铝合金替代材料

飞机机翼的前缘材料需要满足一系列严苛的性能要求。最新研究表明，将复合金属泡沫（CMF）与环氧树脂结合使用能够获得比现在普遍采用的机翼前缘铝合金材料更理想的性能。

美国北卡罗来纳州立大学力学与宇航工程专业教授Afsaneh Rabiei表示：“我们称这种复合材料为‘树脂注入CMF’，它具有与铝合金相仿的密度，从飞机飞行性能、安全性和燃油效率的角度来看，它韧性更好，一些其它的优异性能也很有吸引力。”

 CMF是将不锈钢或钛合金的空心金属球嵌入到不锈钢、铝合金或其它金属基体中获得的泡沫材料。在该研究中，研究者采用了空心球和基体均为不锈钢的钢-钢CMF。前期研究发现，这种金属泡沫具有很高的韧性，能够承受0.50口径的炮弹作用，能够抵御高温，并阻挡高爆燃烧弹的爆炸威力。

 树脂注入CMF是将钢-钢CMF浸入疏水环氧树脂中，在真空条件下，使树脂进入空心球内部和不锈钢基体更小的孔洞中。经此工艺，CMF中有88%的孔洞被环氧树脂填充。

 研究者随后测试了树脂注入CMF和航空级铝合金的性能，以考察它们在影响机翼前缘性能的三个方面的表现。三种性能包括：决定水对材料表面湿润性能的接触角；昆虫粘附性，或昆虫在材料表面的粘附力；颗粒耐磨性，或材料抵抗侵蚀的能力。

  接触角用来衡量水在材料表面形成水珠的程度，材料的接触角越小，对水的粘附性越强，越亲水。该性能与机翼相关，因为机翼上的积水情况会影响飞机的飞行性能。研究者发现树脂注入CMF的接触角比铝合金高130%，性能大幅提升。

 昆虫粘附性通常采用两种方法测量：一是材料表面昆虫残留物的最大堆积高度，二是材料表面昆虫残留物的覆盖面积。在这个测试项目上，树脂注入CMF同样优于铝合金，最大堆积高度降低了60%，覆盖面积减少了30%。

 研究者还通过喷砂实验，来模拟机翼在飞行过程中出现的磨损。实验结果表明，尽管喷砂实验也造成了树脂注入CMF材料表面的粗糙度变大，但材料性能仍然优于铝合金。比如，在最坏的情况下，树脂注入CMF的接触角仍比铝合金高50%。换句话讲，树脂注入CMF能够在摩擦磨损实验中更好地保持表面性能，因此采用这种材料制造的飞机前缘会拥有更长的服役寿命，同时降低与维护和更换相关的成本。

 "目前，铝合金是现役飞机固定翼和旋转翼前缘的材料选择，”Rabiei表示。“我们的实验结果表明，树脂注入CMF是一种极具价值的替代品，在相同重量下能表现出更好的性能。同时，实验结果还表明，我们可以采用不同的基体和球体材料获得与铝合金性能相同而重量更轻的材料。不管怎样，都能提升机翼性能和燃油效率。”