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Stell dir vor, ein riesiges Flugzeug fliegt sanft durch den Himmel und bringt Hunderte von Passagieren sicher an ihr Ziel.Dieses Wunderwerk wird nicht nur durch präzise Konstruktionen unterstützt, sondern auch durch den genialen Einsatz leistungsfähiger MaterialienIn diesem Artikel werden die wichtigsten Materialien der modernen Flugzeugherstellung untersucht: Stahl, Aluminiumlegierungen,mit einem Gehalt an Kohlenwasserstoffen von weniger als 0,5%, und faserverstärkten Verbundwerkstoffen, die ihre einzigartige Rolle und Entwicklungstrends in der Luftfahrt aufdecken.

Titanlegierungen: Die Hüter der hohen Temperaturen

Titallegierungen haben aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften eine zentrale Position in der Luftfahrt.Dies bedeutet, dass sie ausreichend Festigkeit bieten und gleichzeitig das Strukturgewicht minimieren.Darüber hinaus weisen Titanlegierungen hervorragende Ermüdungsfestigkeit und Zugfestigkeitsverhältnisse sowie hohe Ermüdungsgrenzwerte auf, die es ihnen ermöglichen, längere, hochintensive zyklische Belastungen zu überstehen.Bemerkenswert., halten bestimmte Titallegierungen selbst bei Temperaturen von 400-500°C eine beträchtliche Festigkeit bei, was sie ideal für Hochtemperaturbauteile wie die Turbinenblätter von Düsenmotoren macht.

In salzreichen Umgebungen sind Titanlegierungen nicht ohne Nachteile.die kombinierten Auswirkungen von hoher Temperatur und Belastung beeinträchtigen ihre Leistung erheblichDie relativ hohe Dichte erhöht auch das Gesamtgewicht des Flugzeugs, wenn es intensiv verwendet wird.mit Material- und Herstellungskosten, die etwa siebenmal höher sind als die von Aluminium oder StahlFolglich sind sie typischerweise für Leistungskritische Komponenten wie Jetmotoren reserviert.

Stahl: Von der Dominanz zu Nischenanwendungen

Stahl, eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, dominierte die Flugzeugherstellung in den 1930er Jahren als primäres und sekundäres Strukturmaterial.Während Aluminiumlegierungen schließlich Stahl als Hauptmaterial verdrängten, Stahl behält seinen Platz in der Luftfahrt aufgrund seiner hohen Festigkeit, Steifigkeit und Schadensbeständigkeit.und Befestigungsmaschinen verwenden oft Stahlguss, um anspruchsvolle Anforderungen an Festigkeit und Steifigkeit zu erfüllen.

Die Haupteinschränkung des Stahls ist seine hohe Dichte, die eine weit verbreitete Strukturanwendung einschränkt.

Aluminiumlegierungen: Die Revolution im Leichtgewicht

Reinaluminium ist aufgrund seiner geringen Festigkeit und hohen Duktilität für Strukturanwendungen ungeeignet.Lithium und Lithium verbessern die mechanischen Eigenschaften erheblich, während sie gleichzeitig eine geringe Dichte aufweisen.Nach dem Zweiten Weltkrieg ersetzten Aluminiumlegierungen Stahl als primäres Flugzeugbaumaterial.

Die Luftfahrtindustrie verwendet hauptsächlich vier Aluminiumlegierungsreihen:

• Al-Cu (2000er Reihe)
• Al-Mg (5000-Serie)
• Al-Mg-Si (6000-Serie)
• Al-Zn-Mg (7000er Reihe)

In jüngster Zeit sind Aluminium-Lithium-Legierungen (Al-Li, 8000-Serie) in die Luftfahrt eingesetzt worden.und tragfähige Bauteile aufgrund ihrer extrem geringen Dichte.

Bei der Auswahl von Aluminiumlegierungen müssen mehrere Faktoren abgewogen werden: Festigkeit (Leistung und Endleistung), Duktilität, Fertigbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Kompatibilität mit Oberflächenbehandlungen, ErmüdungsfestigkeitSpannungskorrosionsbeständigkeitEine optimale Leistungsbilanz ist aufgrund komplexer Legierungsmechanismen mit Mikrostruktur- und chemischen Prozessen schwierig.

Vor kurzem haben Faserverstärkte Verbundwerkstoffe begonnen, Aluminiumlegierungen zu ersetzen, zuerst in Sekundärstrukturen und jetzt in Primärstrukturen wie dem Airbus A350 und der Boeing 787 Dreamliner.

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe: Die Zukunft der Luftfahrtmaterialien

Komposite kombinieren zwei oder mehr Materialien mit deutlich unterschiedlichen physikalischen oder chemischen Eigenschaften, um überlegene Leistungsmerkmale zu erzeugen.Faserverstärkte Verbundwerkstoffe sind zunehmend verbreitetDiese bestehen typischerweise aus hochfesten Fasern (Glas oder Kohlenstoff), die in Kunststoff- oder Epoxidharzmatrizen eingebettet sind, die mechanischen und chemischen Schutz bieten.

Faserverstärkte Materialien sind anisotropisch, ihre Eigenschaften hängen von der Faserorientierung ab.Diese Laminate sind in Harzmatrizen eingebettet, um zusammenhängende Strukturen zu bilden, die Biege- und Schereinspannungen widerstehen können.

Frühe glasfaserverstärkte Kunststoffe (GRP) wurden in Hubschrauberrotorblättern verwendet, wurden aber aufgrund der geringen Steifigkeit nur in Flugzeugen mit festem Flügel eingesetzt.Die 1960er Jahre führten neue Materialien wie Kevlar (eine Aramidfaser) mit glasähnlicher Festigkeit, aber höherer Steifigkeit einKevlar-Verbundwerkstoffe sind zwar langlebig, haben aber eine schlechte Druckfestigkeit und stellen Herausforderungen bei der Herstellung dar, was sie auf sekundäre Strukturen beschränkt.Borfaserverbundwerkstoffe waren die ersten, die ausreichend stark und steif für Primärstrukturen waren, wurden jedoch später durch kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFRP) ersetzt, da sie eine ähnliche Leistung zu niedrigeren Kosten aufwiesen.

Der Young-Modul von CFK ist ungefähr dreimal so hoch wie der von GRP, 1,5 Mal so hoch wie der von Kevlar und doppelt so hoch wie der von Aluminium.CFRP ist brüchig, er erhält bei Spannungskonzentrationen keine plastische Verformung.Epoxymatrizen absorbieren auch langfristig Feuchtigkeit, was matrixabhängige Eigenschaften wie Kompressionsfestigkeit,besonders bei erhöhten TemperaturenUmgekehrt ist die Steifigkeit von CFK weniger feuchtigkeitsempfindlich und ermüdungsbeständiger.

Die Ersetzung von 40% der Aluminiumstruktur durch CFK spart etwa 12% des Gesamtgewichts.Der Airbus A350XWB verwendet CFRP weitgehend für FlügelDie Materialzusammensetzung nach Strukturgewicht ist:

• 52% Faserverstärkte Verbundstoffe
• 20% Aluminiumlegierungen
• 14% Titallegierungen
• 7% Stahl
• 7% andere Stoffe

Zu den gängigen Aluminiumlegierungen für die Luftfahrt gehören 7075, 6061, 6063, 2024 und 5052 Aluminium.