用于航空结构的可变纤维取向镁/碳纤维夹层复合材料的力学与热学性能

为什么更轻更韧的飞机部件很重要

每减轻飞机一公斤，就能节省燃料、降低排放，并为乘客或货物腾出空间。因此工程师一直在寻求既超轻又异常坚固的材料，同时还要能经受飞行过程中出现的高温、低温和冲击。本文探讨了一种有前景的方案：将薄镁金属板与碳纤维复合材料芯层配成的夹层面板，并展示了仅仅改变芯层纤维角度就能显著改变这些面板性能的事实。

构建金属—碳“夹心”结构

研究人员制备了类似于机翼和机身用蒙皮与加强构件的平板。每块面板的外层为AZ31镁合金面板——这种金属比铝轻约三分之一，同时具有适当的强度和良好的导热性。在这些蒙皮之间放置了八层超薄碳纤维/环氧树脂层，作为夹层的芯材。不同之处在于碳纤维的取向：有的面板所有纤维沿同一方向排列，有的纤维互相垂直交叉，有的以±45°夹角布置，或以一种均衡的多向堆叠排列，以期更均匀地分散载荷。

对面板进行一系列考验

为了评估这些不同设计的性能，团队裁制了标准试样并进行了拉伸、弯曲和冲击试验。他们还对小样本加热测量失重和热流，以评估热稳定性，并使用显微镜和X射线技术检查内部结构。这些测试模拟了飞机构件会遇到的情况：来自增压和气动力的持续载荷、碎片或硬着陆引起的冲击，以及从亚零的高空低温到靠近发动机的高温的温度变化。贯穿整个研究的一个简单问题是：哪种纤维布局能为实际航空应用提供强度、韧性和耐热性的最佳组合？

纤维方向如何改变强度与韧性

答案强烈依赖于面板所承受的载荷方式。当面板受拉或如梁般弯曲时，纤维沿主载荷方向排列的面板表现最优。全0°设计在拉伸和弯曲强度上最高，因为直纤维能直接承担拉伸和弯曲力。纤维侧向（90°）排列的面板在这些试验中最弱，因为纤维对沿长度方向的抗力贡献较小。然而，冲击试验显示了不同的结果：在冲击下，±45°纤维的面板在断裂前吸收了更多能量。其斜向纤维促使裂纹扭曲并分支，大量纤维从基体中拔出——这些破坏机制消耗了冲击能量，避免了突然、脆性断裂。

热稳定性与内部发生的情况

热学测试表明，所有夹层设计在典型飞机服役温度之上仍保持稳定。环氧芯层只有在约250–300 °C以上才出现明显分解，这为通常在机体周围出现的120–200 °C工况提供了舒适的安全裕度。不过在这方面纤维布局依然重要。交叉层（cross‑ply）与准各向同性（quasi‑isotropic）堆叠——即纤维朝多个方向排列——在高温暴露后留下更多坚实残留物，并表现出更平滑的热流信号，表明内部结构在热稳方面更为可靠。断裂样本的显微图也支持这些发现：直纤维面板主要以整齐的纤维断裂为主，而多向和±45°面板则显示出更多纤维拔出、基体剪切和受控分层，这些机制有助于耗散机械和热应力。

面向未来飞机的平衡设计

对设计者而言，最具吸引力的并非在某一项试验中绝对最强的面板，而是在各项试验中均表现良好的那一种。多向“准各向同性”夹层——纤维以0°、90°和±45°排列——提供了这种平衡。它在拉伸和弯曲强度上名列前茅，冲击抗性几乎与最佳的±45°设计相当，并对热致损伤表现出良好抵抗力。简言之，这种布局以牺牲少量极限强度为代价，换来全方位可靠性的显著提升。因此该研究指出，镁—碳纤维夹层面板，尤其是在经过精心安排的纤维方向下，是下一代飞机中更轻、更韧且耐热的航空结构构件的有前途选择。

引用: Annadorai, M.E., Ramakrishna, M. Mechanical and thermal performance of magnesium carbon fiber sandwich composites with variable fiber orientations for aerospace structures. Sci Rep 16, 7710 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38567-8

关键词: 镁基复合材料, 碳纤维面板, 航空材料, 夹层结构, 纤维取向