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钢柔并济材料性能的科学运用

投稿时间:2016-11-15 16:33 投稿人:吴向东 【字号: 访问量:

在视频新闻中多次看到喷气式战斗机失事是因为航空发动机进气道叶片疲劳损坏而导致的事故,并列出导致航空发动机进气道叶片疲劳损坏的科普知识,因为航空发动机性能需要进气道叶片高速度、高强度运转,高速高强度运转会造成机械高频震动,高频震动是造成进气道叶片疲劳损伤的原因。

具我的理解,高频震动既然能至材料疲劳损伤,就应该降低材料的‘钢’性,因为‘钢’性是造成材料高频震动的直接原因。

我记得那是上世纪70年代,离我家乡不太远有一军用机场,家乡上空就是战斗机的训练空域。有一天中午天空传来剧烈震动(声波加空气震动波),将学校窗户玻璃被震碎多少块,大家在操场向声音传来方向望去,只见天空出现一个小银点后面拖着长长一线白烟,小银点拖着白烟在高空快速飞行。当时也不知道那强烈声波和小银点(战斗机)有什么关联,现在知道了那是战斗机超音速飞行时产生的音爆,从那天以后小银点拖着白烟和强烈声波经常出现,为了防止窗户玻璃被震碎用医用橡皮膏条在玻璃面上贴个井字,玻璃就不会被震碎。

材料科学要讲究钢柔两重性,材料‘钢’性是指材料的本质坚强,能顶天立地,能担大任,特性是可断可碎而不可弯不可曲;材料的‘柔’指它本质柔软,不能直立担担大任,可弯可曲而不可碎不易断。

材料材质的钢性太强或者太柔都不是最好的材料,应当根据应用需求合理的刚柔并济特性材料才是好材料。材料的钢柔特性运用取决于材料应用领域的功能需求,有些领域需求材料坚硬坚强能顶天立地或担担大任,这种材料应该是以‘钢’性为主柔性为辅,‘钢’性是发挥其材质特长,柔性是克服材质缺点,只有刚柔特性并济的材料才会没有缺陷,才能发挥材料的全能。

传统锣鼓乐队中的铜锣最能说明材料的刚柔关系效果,用软锤敲击铜锣中心区引发铜锣震荡,震荡波从被敲击的铜锣中心区向铜锣边缘扩散,又从边缘往返来回震荡。就这样铜锣成为震动体,震波会在震动体上持续往返来回震荡,直到震动频率慢慢消减才能停止震波在震动体上震荡。锣鼓乐队演奏时铜锣手只要用手鼓在震动的铜锣中心轻轻一擦,铜锣震荡声会戛然而止。

铜锣效应:铜锣是类锅形铜质钢性(脆、硬)物体,敲击时需独立悬挂于空间,铜锣成独立的震动体,铜锣上产生的震动波不能向其它物体传递,只能在震动体上来回往复震荡。震动体震荡作用于空气震荡而产生声波。震动体面积越小、震波往复越快、震动频率越高,产生的声音越脆;反之震动体面积越大、震波往复越慢、震动频率越低,产生的声音越低沉。如果敲击铜锣力度过度,铜锣的震动强烈超出铜锣材质承受能力极限,强烈震动波会致使铜锣损伤,在铜锣中心位置产生裂痕,随着铜锣震荡持续铜锣产生的裂痕会越来越大长。

铜锣效应还有一个特点,在铜锣震动体上用手鼓在一擦、一粘,铜锣震动波会戛然而止,说明铜锣上的震动波被手鼓吸收,震动波脱离了震动体,因此铜锣上就终止了震动波来回往复震荡和同步的声波震荡。

铜锣效应证明高频震动波会至钢性材料损伤,同时证明柔性物体能消减钢性材料上的震动波。铜锣效应说明几个问题,震波都是产生于钢性物体上,物体钢性越强震动效应越是强烈,敲击铜锣会造成铜锣产生震动波,而用相同力度方式敲击相同体型的橡胶体,橡胶体上根本就不会有震动波产生和震波来回往复震荡。如果将铜锣中心位置粘贴一块橡胶片再敲击铜锣,只有铜锣与敲击物的碰撞声音,没有了铜锣的震动效应和震动声波。

震仍刚(阳刚)之过,当以柔(阴柔)克之!

航空发动机是飞机心脏,而进气道叶片功能是支持飞机心脏功能的启搏器,叶片功能直接影响航空发动机功能,因此航空发动机的进气道叶片是需要高性能的钢性材料结构。但是高性能的钢性材料在支持机械优越功能同时,也给机械结构带来缺陷和机械损伤的安全风险。如何做到钢性材料在兼顾支持机械优越功能同时,消减材料钢性给机械结构带来的缺陷和机械损伤的安全风险,就要求材料必须同时具备刚柔并济的材料特性(材料刚中带柔),材料刚柔并济是材料具备钢性的优越功能并同时消除钢性材料的缺陷,使材料能够发挥出全能。

刚柔并济的复合材料,首先是材料的钢性,它是高强硬度材质的体现,是以钢性发挥材料优越功能;其次材料辅以柔性,目的吸收钢性材料上产生的震动波,禁止高频震波产生,禁止震波在钢性材料上来回往复震荡,防止高频震波至钢性材料疲劳损伤。

复合柔性材料贴(粘贴)面:在伸缩性小的面料(布质或软塑料面)上铺粘性胶泥,粘性胶泥用重金属矿粉和粘性胶水搅拌成胶泥,胶泥越重越粘其性能越好,面料层铺上粘性胶泥层就是复合柔性材料贴面。柔性材料贴面的粘性胶泥铺设厚度根据柔性材料应用位置需要而定,其柔性材料贴面应用厚度和被复合的钢性材料总质量有个相互适应比例,复合较小的钢性材料应用的粘性胶泥需求总量也比较小,而复合较大的钢性材料体必然需要较多的粘性胶泥贴面,不然就达不到刚柔并济的最佳效果。

航空发动机的进气道叶片如果复合上这种柔性材料贴面,就会消除进气道叶片上的高频震动,就能消除进气道叶片的疲劳损伤,从而达到消除或减少航空机械事故风险。

刚柔并济材料应用,它不光适合航空材料,它适合一切高性能材料领域。柔性材料应用理念不光适合工业领域,它对军事领域会产生影响,比喻柔性材料能吸收高频震波,会对海军舰艇水声信号发生改变,对舰艇静音和水下隐身产生影响,有益于国防安全建设。