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复合材料在航空航天领域的应用现状与展望

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复合材料在航空航天领域的应用现状与展望

Release date:2017-12-25 Author:上海越科新材料股份有限公司 Click:

现在飞机和卫星的制造资料应具有质量轻、强度高、耐低温、耐腐蚀等特性,先进复合材料的独有功能使它成为制造卫星和飞机的理想材料。

材料是社会开展的物质根底和先导,而新型材料则是表现社会提高的重要里程碑。新材料技术是支撑当前人类文明的现代工业关键技术,新材料技术不断是各国科技开展规划中一个非常重要的范畴,它与动力技术、生物技术、信息技术一同被公以为当今社会及今后相当长工夫内总揽人类全局的高科技技术。复合化是新型材料的重要开展方向,也是新型材料的重要组成局部和最具生命力的分支之一。复合材料已开展成为与金属材料、高分子材料、无机非金属材料并列的四大材料体系之一。今后,一个国家的复合材料工业程度曾经成为权衡其科技与经济实力的主要标志之一。先进复合材料是国家平安和国民经济具有竞争优势的源泉。预测到2020年,只有复合材料才具有潜力取得20-25%的功能提升。

    复合资料是由无机高分子、无机非金属或金属等几类不同资料经过复合工艺组合而成的新型资料,它既能保存原有组分资料的次要特征,又经过资料设计使各组分的功能相互补充并彼此关联与协同,从而取得原组分资料无法比较的优越功能,与普通资料的复杂混合体有实质的区别。所谓先进复合资料是指用碳纤维等高功能加强相加强的复合资料,关于先进树脂基复合资料,在综合功能上与铝合金相当,但比刚度比强度高于铝合金。

1 使用现状

1.1 飞机机身上的使用

1.1.1 飞机机身构造上的使用

先进复合材料用于加工主承力构造和次承力构造,其刚度和强度功能相当于或超越铝合金的复合材料。目前被少量地使用在飞机机身构造制造上和小型无人机全体构造制造上。

以典型的第四代战役机F/A-22为例复合材料占24.2%,其中热固性复合材料占23.8%,热塑性复合材料占0.4%左右。热固性复合材料的70%左右为双马来酰亚胺树脂(BMI,简称双马)基复合材料,消费200多种复杂零件,其它主要为环氧树脂基复合材料,此外还有氰酸酯和热塑性树脂基复合材料等。主要使用部位为机翼、中机身蒙皮和隔框、尾翼等。近10年来,国际飞机上也较多的运用了复合材料。例如北京航空制造工程研讨所研制并消费的QY8911/HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安宁面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。由北京航空资料研讨院研制的PEEK/AS4C热塑性树脂单向碳纤维预浸料及其复合材料,具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲劳功能,合适制造飞机主承力构件,可在120℃下临时任务,已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。

1.1.2 飞机隐身上的使用

近几十年来,隐身复合资料的研讨获得了长足停顿,正朝着“薄、轻、宽(频谱)、强(耐冲击、耐低温)”方向开展。美国最先将隐身体料用在飞机上,用隐身体料最多的是F-117和F-22飞机。F-117的隐身涂层非常复杂,有7种材料之多。

2000年,美空军对F-117的隐身体料停止更新,将原来的7种隐身体料涂层改换为1种,全部F-117将具有通用的维修顺序和雷达波吸收材料,技术规程的数量增加大约50%。改良后F-117的每飞行小时维修工夫延长一半以上,全部52架F-117的年维护费用从1450万美元降至690万美元。F-22 不采用全机涂覆吸波涂层的办法,但在机身内外的金属件上全部采用了铁氧体吸波涂层,它是一种有韧性的耐磨涂料,较之F-117的涂料易于喷涂且耐磨。专家预测到本世纪30代,导电高分子电致变色材料、封孔剂掺杂氧化物半导体材料、纳米复合材料和智能隐身等复合材料将实践用于飞机,它将使飞机的航电零碎及控制方式发作基本性的变化。

1.2 航空发动机上的使用

1.2.1 涡轮动起机上的使用

由于具有密度小、比强度高和耐低温等固有特性,复合材料在航空涡轮发动机上使用的范围越来越广且比例越来越大,使航空涡轮发动机向“非金属发动机”或“全复合材料发动机”方向开展。

(1)树脂基复合材料

凭仗比强度高,比模量高,耐疲劳与耐腐蚀性好,阻噪才能强的优点,树脂基复合材料在航空发动机冷端部件(风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等)和发动机短舱、反推力安装等部件上失掉普遍使用。

(2)碳化硅纤维加强的钛基复合材料 凭仗密度小(有的仅为镍基合金的1/2),比刚度和比强度高,耐温性好等优点,碳化硅纤维加强的钛基复合材料在压气机叶片、全体叶环、盘、轴、机匣、传动杆等部件上曾经失掉了普遍使用。

(3)陶瓷基复合材料

目前次要的陶瓷基复合材料产品是以SiC或C纤维加强的SiC和SiN基复合材料。凭仗密度较小(仅为低温合金的1/3~1/4),力学功能较高,耐磨性及耐腐蚀性好等优点,陶瓷基复合材料,尤其是纤维加强陶瓷基复合材料,曾经开端使用于发起机低温运动部件(如喷嘴、火焰波动器),并正在尝试使用于熄灭室火焰筒、涡轮转子叶片、涡轮导流叶片等部件上。

1.2.2 火箭发动机上的使用

由于火箭发动机喷管壁遭到高速气流的冲刷,任务条件非常恶劣,因而C/C最早用作其喷管喉衬,并由二维、三向开展到四向及更多向编织。同时火箭发动机设计者多年来不断希图将具有高抗热震的Ct/SiC用于发动机喷管的分散段,但Ct的体积分数高,易氧化而限制了其普遍使用,随着CVD、CVI技术的开展,新的抗氧化Ct/SiC及C-C/SiC必将找到其用武之地。

目前为处理固体火箭发动机构造承载成绩,美国和法国正在研发陶瓷纤维混合碳纤维而编织的多向(6向)基质、以热波动氧化物为基体填充的陶瓷复合材料。SiC陶瓷制成的喉衬、内衬已停止屡次点火实验。明天作为火箭锥体候选材料的有A12O3、ZrO2、ThO2等陶瓷,而作为火箭尾喷管和熄灭室则采用低温构造材料有SiC、石墨、低温陶瓷涂层等。

1.3 卫星和宇航器上的使用

卫星构造的轻型化对卫星功用及运载火箭的要求至关重要,所以对卫星构造的质量要求很严。国际通讯卫星VA中心推力筒用碳纤维复合材料取代铝后减质量23kg(约占30%),可使无效载荷舱添加450条电话线路,仅此一项盈利就接近卫星的发射费用。美、欧卫星构造质量不到总质量的10%,其缘由就是普遍运用了复合材料。目前卫星的微波通讯零碎、动力零碎(太阳能电池基板、框架)各种支撑构造件等已根本上做到复合材料化。我国在“风云二号气候卫星”及“神舟”系列飞船上均采用了碳/环氧复合材料做主承力构件,大大加重了整星的质量,降低了发射本钱。

2 将来瞻望

2.1 原材料技术

复合材料开展的根底和前提是原材料技术,主要包括基体和加强体,而其中加强纤维技术尤爲重要。高模量和高强度的纤维既能爲基体分担大局部外加应力,又可障碍裂纹的扩展,并且当部分纤维发作断裂时以“拔出功”的方式耗费局部能量,起到进步断裂能并克制脆性的效。目前关于碳纤维的研讨主要是进步模量和强度,降低消费本钱。运用的纤维先驱体依然主要是PAN(聚丙烯腈)和沥青纤维,二者所用物质的量比约爲6:1。普通来说PAN基碳纤维具有高强度,而沥青基碳纤维具有高模量。但经过控制微观构造缺陷、结晶取向、杂质和改善工艺条件,应用PAN或沥青纤维均可取得高强高模纤维。现实上到目前爲止,要波动消费模量大于700GPa和强度大于5.5GPa的高模高强碳纤维依然是十分困难的。碳纤维的紧缩强度较低,离子注入技术可改善碳纤维的紧缩强度,但这种工艺本钱很高。

2.2 低本钱技术

目前,复合材料的需求量疾速增长,而高本钱曾经成爲制约复合材料普遍使用的瓶颈。进步复合材料的性价比,除了在原材料、拆卸与维护等方面停止研讨改良外,更重要的是降低复合材料的制形成本。

低本钱制备技术也是低本钱技术开展的一个方向。自动铺带技术和自动纤维丝束铺放技术具有高效、低本钱的特点,特别合适于大尺寸和复杂构件的制造,增加了拼装零件的数目,浪费了制造和拆卸本钱,充沛应用了材料,极大地降低了材料的废品率和制造工时。

改良的纤维缠绕和多维编织技术、树脂传递模塑(RTM)和树脂膜熔浸(RFI)工艺及其衍生工艺、新型非热压罐固化工艺以及工艺模仿和智能化技术等也是新兴的复合材料低本钱制造技术。目前研讨最多最有开展前景的是电子束固化工艺,该工艺的优点是固化温度低、耗能低、模具材质要求不高;固化进程工夫短、效率高、环境净化小,并可与RTM、拉挤、缠绕等自动化工艺相结合。

2.3 新型复合材料 2.3.1 超轻材料与构造

格栅加强构造的概念是20世纪70年代由美国麦道公司首先提出,其根本设想是:整个构造由铝合金增强肋与蒙皮组成,增强肋呈正多边形网格散布,整个构造表现出各向异性。这种构造方式刚刚呈现,就以较高的可设计性、优越的潜在功能备受关注。

2.3.2 纳米复合材料

纳米复合材料是由2种或2种以上的固相至多在一维以纳米级大小(1-100nm)复合而成的复合材料。纳米复合材料包括纳米颗粒加强复合材料、封孔剂纳米片层加强复合材料、纳米纤维加强复合材料和碳纳米管加强复合材料等。纳米复合材料曾经成爲先进复合材料技术的一个新增长点,也是先进复合材料技术研讨最活泼的前沿范畴之一。纳米复合材料的超凡特性使其在航空航天等范畴具有普遍的使用前景。

2.3.3 多功用复合材料

随着新一代航空航天器向高明声速方向的开展,苛刻的超低温退役环境对材料及构造的承载与防热提出了严峻考验,碳/碳(C/C)复合材料是顺应这种需求的重要候选材料。C/C复合材料从碳纤维加强相构造可分爲碳毡C/C和多向编织C/C复合材料。作爲一种新型战略材料,C/C复合材料的国防公用性和激烈的军事背景使其研制和运用具有高度的秘密性。碳基防热复合材料次要用于烧蚀防热和热构造,较好地处理了轻质化、抗热震、耐腐蚀等技术难题。除了传统的C/C复合材料以外,近年来,美、俄、法等国度又开发了许多混杂其它材料的新型C/C材料以满足不同的特殊运用要求。例如:在C/C材料中混入Si3N4、SiC、TiC、TaO、TaC等粉末,以进步C/C材料抗粒子腐蚀功能。更新的弹头鼻锥防热材料是针刺细编织物在穿刺或编织进程中参加改良功能的组分,如耐熔金属丝、耐腐蚀粒子等,这样可大大改良抗粒子腐蚀功能,到达全天候的目的。此外,四向或更多向碳基复合材料也是研制开展的方向,由于采用了交织网络构造和添加了加强方向数,不只添加了各向异性、进步了抗腐蚀才能,也改良了耐烧蚀性。

上海越科新材料股份有限公司成立于2006年,是结构复合材料技术提供商和产品制造商,专注于高性能要求和大型的结构性复合材料件的整体解决方案提供,模具设计制造,整体流水线总包,原材料供应。主要经营:环氧体系脱模剂聚酯体系脱模剂、封孔剂等。



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