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解析复合材料在航空航天领域的应用

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解析复合材料在航空航天领域的应用

发布日期:2022-10-10 作者:网络 点击:

复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。复合材料工业水平已成为衡量其科技与经济实力标志之一。先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争优势的源泉。在纤维增强复合材料领域中,环氧树脂大显身手。它与高性能纤维PAN基碳纤维、S或E玻璃纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维复合,便成为不可替代的重要的基体材料和结构材料,广泛运用在电子电力、航天航空、运动器材、建筑补强、压力管道、化工防腐等六个领域。


一、复合材料使用的增强纤维

复合材料所用各种纤维材料性能比较中,仅玻璃纤维就比金属材料的比强度、比模量分别提高了540%和31%,碳纤维的提高则更为显著。据文献报道,由键能和键密度计算得出的单晶石墨理论强度高达150GPa。因此碳纤维的进一步开发潜力是十分巨大的。

开发碳纤维复合材料的其他应用大有作为,如飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发电机大型叶片、体育运动器材(如滑雪板、球拍、渔杆)等。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的逐步下降,在增强混凝土、新型取暖装置、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用也必将迅速扩大。我国为配合北京奥运会,拟大力开发新型CFRP建材及与环保,日用消费品相关的高科技CFRP新市场。

碳纤维是一种高强度、高模量材料,理论上大多数有机纤维都可被制成碳纤维,实际用作碳纤维原料的有机纤维主要有三种:粘胶纤维、沥青纤维、聚丙烯腈纤维。当前固体火箭发动机结构件用的碳纤维大多由聚丙烯腈纤维制成。


二、航空航天用树脂基复合材料

据有关资料报道,航天飞行器的质量每减少1千克,就可使运载火箭减轻500千克,而一次卫星发射费用达几千万美元。高成本的因素,使得结构材料质轻,高性能显得尤为重要。利用纤维缠绕工艺制造的环氧基固体发动机罩耐腐蚀、耐高温、耐辐射,而且密度小、刚性好、强度高、尺寸稳定。再如导弹弹头和卫星整流罩、宇宙飞船的防热材料、太阳能电池阵基板都采用了环氧基及环氧酚醛基纤维增强材料来制造。出于航天航空飞行及其安全的考虑所需,作为结构材料应具有轻质高强、高可靠性和稳定性,环氧碳纤维复合材料成为不可缺少的材料。

高性能环氧复合材料采用的增强材料主要是碳纤维(CF)以及CF和芳纶纤维(K-49)或高强玻璃纤维(S-GF)的混杂纤维。所用基体材料环氧树脂约占高性能复合材料树脂用量的90%左右。高性能复合材料成型工艺多采用单向预浸料干法铺层,热压罐固化成型。高性能环氧复合材料已广泛应用在各种飞机上。以美国为例,20世纪60年代就开始应用硼/环氧复合材料作飞机蒙皮、操作面等。由于硼纤维造价太贵,70年代转向碳/环氧复合材料,并得到快速发展。大致可分为三个阶段。第一阶段应用于受力不大的构件,如各类操纵面、舵面、扰流片、副翼、口盖、阻力板、起落架舱门、发动机罩等次结构上。第二阶段应用于承力大的结构件上,如安定面、全动平尾和主受力结构机翼等。第三阶段应用于复杂受力结构,如机身、中央翼盒等。一般可减重20%~30%。目前军机上复合材料用量已达结构重量的25%左右,占到机体表面积的80%。高性能环氧复合材料在国外军机和民机上的应用实例较多。

我国于1978年首次将碳-玻/环氧复合材料用于强-5型飞机的进气道侧壁。据有关会专家介绍,20世纪80年代在多种军机上成功地将C/EP用作垂直安定面、舵面、全动平尾和机翼受力盒段壁板等主结构件。

宇航工业中除烧蚀复合材料外,高性能复合材料应用也很广泛。如三叉戟导弹仪器舱锥体采用C/EP后减重25%~30%,省工50%左右。还用作仪器支架及三叉戟导弹上的陀螺支架、弹射筒支承环,弹射滚柱支架、惯性装置内支架和电池支架等55个辅助结构件。由于减重,使射程增加342km。德尔塔火箭的保护罩和级间段亦由C/EP制造。美国卫星和飞行器上的天线、天线支架、太阳能电池框架和微波滤波器等均采用C/EP定型生产。国际通讯卫星V上采用C/EP制作天线支撑结构和大型空间结构。宇航器“空中旅行者”的高增益天线次反射器和蜂窝夹层结构的内外蒙皮采用了K-49/EP。航天飞机用Nomex蜂窝C/EP复合材料制成大舱门,C/EP尾舱结构壁板等。

航天高新技术对航天先进复合材料的要求越来越高,促使先进复合材料向几个方向发展:

高性能化,包括原材料高性能化和制品高性能化。如用于航空航天产品的碳纤维由前几年普遍使用的T300已发展到T700、T800甚至T1000。而一般环氧树脂也逐步被韧性更好的、耐温更高的增韧环氧树脂、双马树脂和聚酰亚胺树脂等取代;对复合材料制品也提出了轻质、耐磨损、耐腐蚀、耐低温、耐高温、抗氧化等要求。

低成本化,低成本生产技术包括原材料、复合工艺和质量控制等各个方面。

多功能化,航天先进复合材料正由单纯结构型逐步实现结构与功能一体化,即向多功能化方向发展。

碳纤维增强复合材料(CFRP)以其轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点,广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。


三、趋势

复合材料是未来发展我国航空航天工程有前途的材料,在未来复合材料的的研制中必须在抗拉强度、蠕变阻力、低和高循环疲劳、耐高温腐蚀和耐冲击损伤等方面满足要求。提高复合材料高耐热性、强度和韧性是发展复合材料的关键,今后在耐高温材料上应重点研制结构陶瓷、陶瓷复合材料和微叠层复合材料。同时要在研究低成本复合材料的制造技术上加大力度。

飞机上的复合材料主要是指碳纤维复合材料。

飞机结构件大规模使用复合材料,是现代飞机制造史上的一次革命性变化。它使飞机重量更轻、强度更高、耐疲劳耐腐蚀性更好,而且复合材料中的高强度碳纤维进行大规模工业化生产后,可以使飞机的制造成本更低。同时在计算机技术、激光、C扫描等先进科技的支持下,复合材料制造飞机结构件的质量能够更加可靠地保证飞机的安全性。

而在我国,复合材料主要用在飞机非结构件上,在主结构上的应用还需要进一步预研。这就好比是空客、波音已经能用钢筋水泥造房子,而我国仅掌握全套的用“秦砖汉瓦”造房子的办法,现在才开始学着使用钢筋水泥。更要命的是,用于飞机的复合材料原材料我国现在还需要进口,尤其是像高等级碳纤维等这样广泛应用的飞机复合材料原材料,我国还不能生产。

文章来源: 复材应用技术,材图



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