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先进纤维增强树脂基复合材料在航空航天工业中的
应用
来源:  作者:  浏览次数:5883  发表时间:2010-06-01
 
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先进纤维增强树脂基复合材料 在航空航天工业中的应用 
    航天材料及工艺研究所赵云峰 
    一、引言 
    随着航空航天工业的发展,先进 飞机、运载火箭和导弹、卫星等的高 性能、高可靠性和低成本,很大程度 上是由于新材料和新工艺的广泛应 用。先进复合材料是航空航天高技术 产品的重要组成部分,它能有效降低 飞机、运载火箭、导弹和卫星的结构 重量,增加有效载荷和射程,降低成 本。国外各类航空航天器结构已经广 泛采用了先进的纤维增强树脂基复合 材料,其中应用最多的是碳纤维增强 环氧树脂复合材料。目前,先进复合 材料已经取代了铝合金,成为现代大 型飞机的首要结构材料。 
    二、先进纤维增强树脂 
    基复合材料的特点 先进纤维增强树脂基复合材料由 高性能增强纤维和基体树脂按一定的 工艺方法复合而成。与其它材料相 比,具备如下特点:
(1)与金属材料相比,复合材料 具有高的比强度和比模量,可以大幅 减轻结构重量;
(2)各向异性,具有良好的可设 计性,可以充分发挥增强纤维的性能;
(3)具有优异的耐疲劳、耐腐蚀 和抗振动等特性;
(4)成型工艺性好,易于制造一 次整体成型复杂零件。
表1列出了几类典型的树脂基复 合材料和金属材料的性能。
 
    三、先进纤维增强树脂基复合 
    材料在航天产品上的典型应用 欧洲的“阿里安4”运载火箭采用 了大量的碳纤维增强环氧树脂复合材 料。卫星发射支架,仪器舱,大型整流 罩,第一、二级之间的分离壳,助推器 前锥和第二、三级级间段均采用碳纤维 增强环氧树脂复合材料制造而成。 “阿里安4”运载火箭卫星整流罩 最大外径4米、长约12米。由端头、 前锥段、圆柱段和倒锥几部分组成。 端头为铝合金加强筋环结构。前锥段 和圆柱段采用碳纤维面板/铝蜂窝夹层 结构。“阿里安5”运载火箭大型卫星 整流罩外径5.4米,同样采用碳纤维 面板/铝蜂窝夹层结构。“阿里安4”运 载火箭第二、三级碳/环氧级间段直径 2.6米、高度2.73米,采用8块曲型 壁板组成,两端框为铝合金材料,中 间用5个铝合金环框加强。 先进复合材料结构件的使用,提高 了卫星结构的效率,增加了卫星的有效 载荷,加强了商业竞争能力。一些航天 器结构所用的典型复合材料见表2。
    四、高性能增强纤维 
    1碳纤维 
    碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、 沥青、粘胶纤维等为原料,经预氧 化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳 量大于90%的高强度、高模量、耐高 温特种纤维。PAN基碳纤维生产工艺 简单、产品综合性能好,因而发展很 快,产量占到90%以上。碳纤维具有 高强度、高模量、低密度、耐高温、 耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀 系数小等优异性能,是国防军事工业 不可缺少的工程材料。 
    研究制备碳纤维的新技术,特别 是低成本碳纤维制备技术是国外碳纤 维研究的重点。制备碳纤维的新技术 可归纳为研究发展廉价原丝、新的预 氧化技术和新的碳化和石墨化技术三 个方面。为了降低碳纤维的价格,研 制低成本碳纤维,美国推出了低成本 碳纤维研制计划,并已取得了一定的 成果,建成了采用微波碳化的试验 线,取得了良好效果,使制备碳纤维
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的成本降低了约20%。 日本在碳纤维制造技术和生产能力 上均居世界首位。近年来,我国碳纤维 的用量已经占世界总用量的1/5以上, 国内在碳纤维研究方面也取得了很大进 展,一些品级的碳纤维已经实现了批量 生产,打破了国外的技术和产品垄断。 
    2芳纶纤维 
    芳纶全称芳香族聚酰胺纤维,是 一种高强度、高模量、低密度、耐磨 性好的耐高温阻燃纤维,主要有间位 芳纶和对位芳纶。间位芳纶主要有杜 邦公司的Nomex、帝人公司的Conex 等;对位芳纶(PPTA)主要有杜邦公 司的Kevlar、帝人公司的Twaron等。 间位芳纶即聚间苯二甲酰间苯二 胺纤维,我国称为芳纶1313。它的极 限氧指数LOI为29,在火焰中不会发 生熔滴现象,离开火焰即会自熄。其 介电常数很低,固有的介电强度使其 在高温、低温、高湿条件下均能保持 优良的电绝缘性,用其制备的绝缘纸 耐击穿电压可达到100千伏,是全球 公认的最佳绝缘材料。对位芳纶在我 国又称芳纶1414,具有高强高模、耐 高温和阻燃等性能,自1972年实现工 业化以来,在个体防护、航空航天、 电子信息等领域得到了广泛应用。 
    3超高分子量聚乙烯纤维 
    超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 纤维是近年出现的新型聚烯烃纤维, 该纤维也叫伸直链聚乙烯(ECPE)纤维或高强一高模聚乙烯(HTHMPE) 纤维,其突出的优点是密度低。 UHMWPE纤维的表面呈惰性化, 对酸、碱、一般化学药品和有机溶剂 有很强的耐腐蚀性;由于其分子链上 不含不饱和基团,其耐光、耐热老化 性优良;其吸能性和耐磨损性优于 Kevlar纤维,断裂伸长率优于高强度 碳纤维;其弹道防护性能超过以 Kevlar为代表的芳族聚酰胺纤维成为 防弹领域里一种极具吸引力的高技术 纤维;其密度约为0.97g/cm3,可浮于 水面,且持续浸于水中仍能较好地保 持其性能。UHMWPE纤维还具有卫 生、无毒的优点,在实际使用中不需 要采取任何保护措施。 在武器装备方面,UHMWPE纤维 可用于装甲车辆的防护板、雷达防护 壳、头盔、坦克的防护内衬、防弹衣 等。在航空航天工程中,UHMWPE纤 维增强复合材料因其轻质高强和抗撞 击性能好而适用于制造各种飞机的翼 尖结构、飞船结构和浮标飞机部件 等,其发展速度异常迅速。 
    4 PBO纤维 
    PBO(聚对苯撑苯并二唑)纤 维具有的5.8GPa拉伸强度和270GPa 初始模量、68的极限氧指数,以及 650℃的分解温度等主要性能指标,均 属目前有机合成纤维之最,有着“纤 维之王”之称。1998年,PBO纤维 180吨/年生产线在日本投产。PBO纤维可用作宇宙飞船、火箭、卫星等的 结构材料,发动机等的绝缘材料和电 子电器部件,制作航天服,飞机座位 的阻燃层,以及太空中架线、星球探 测气球等。例如,NASA采用PBO纤 维制作金星探测气球。PBO纤维还可 用于导弹和子弹的防护设备、防弹背 心、防弹头盔和高性能航行服;用于 舰艇的结构材料,降落伞用材料,飞 机机身材料等;用作弹道导弹、战术 导弹的复合材料用增强材料。 
    5聚酰亚胺纤维 
    聚酰亚胺纤维不仅具有高强度、 高模量的特性,而且还具有耐高温、 耐化学腐蚀、耐辐射、阻燃等优越的 性能。与Kevalr 49相比,聚酰亚胺纤 维具有较好的热氧化稳定性,在过热 的水蒸气中的力学性能也相对较好。 聚酰亚胺纤维具有非常强的耐酸腐蚀 性和耐光辐射性,如该纤维经1× 1010rad电子照射后强度保持率仍能达 到90%,这是其它纤维无法比拟的。 聚酰亚胺纤维的极限氧指数一般在 35~75,发烟率低,属自熄性材料。 聚酰亚胺纤维有望在原子能工 业、空间环境、航空航天及国防建设 中得到广泛应用。如聚酰亚胺纤维可 编成绳索、织成织物或做成无纺布, 用在高温、放射性环境中,或用于有 机气体或液体的过滤、隔火毡、防火 阻燃服装等。高强度、高模量的聚酰 亚胺纤维属于先进复合材料的增强材 料,用于航空、航天器及火箭的制造。 
    五、高性能基体树脂 
    1环氧树脂 
    环氧树脂是聚合物基复合材料应 用最广泛的基体树脂。由于其优异的 粘接性能、耐磨蚀性、力学性能、化 学稳定性、电绝缘性,以及收缩率 低、易加工成型、应力传递性能较好 和成本低廉等优点,用于制备胶黏 剂、涂料、复合材料等,可广泛应用 于轻工、建筑、机械、兵器、船舶、 航空航天、电子等各个领域。但由于环氧树脂固化后交联密度高,呈三维 网状结构,但因存在内应力大,质 脆,耐疲劳性、耐湿热性、耐冲击性 差等不足,导致剥离强度、剪切强度 较差,开裂应变低,预浸料贮存期短 等缺点,使其应用受到了一定的限 制。因此,对环氧树脂的改性一直是 国内外研究人员的热点课题。 
    目前,国内在环氧树脂增韧、增 强研究方面取得了很大进展,但仍存 在一些问题。如用反应性液态聚合物 和热塑性树脂增韧环氧树脂,可使冲 击强度成倍地提高,但模量、耐热性 能、拉伸性能均有所下降;用热致液 晶改性环氧树脂虽然在增加韧性的同 时,保持了其它力学性能和耐热性, 但其合成和原料来源困难,造价昂 贵,且热致性液晶的热变形温度很高, 难与通用型基体聚合物匹配,加工成 型困难。因此,今后环氧树脂增韧增 强的研究可从以下几个方面着手:
(1)合成和寻找新的具有优异力学 性能,能与环氧树脂很好相容且能在环 氧树脂中分散良好的增韧增强材料。
(2)寻找新的制备方法,使改性 剂和环氧树脂成型、加工方便,改性 易于进行。
(3)拓宽环氧树脂研究和应用领 域,使改性环氧树脂真正得到广泛的 实际应用。 
    2双马来酰亚胺树脂 
    双马来酰亚胺是由聚酰亚胺树脂 派生的一类具有双活性端基的化合 物,在加热或催化剂作用下可以交联 固化。具有优异的耐热性、电绝缘 性、透波性、阻燃性、耐候性,良好 的力学性能和尺寸稳定性。其成型工 艺类似于环氧树脂,原材料来源广 泛、成本低廉。作为先进复合材料的 树脂基体、耐高温绝缘材料和胶粘剂 等,双马来酰亚胺广泛应用于航空航 天、机械电子、交通运输等工业领 域。但是,目前商品化的双马来酰亚 胺还存在着熔点高、溶解性差、成型 温度高、固化物脆性大等缺点。 对双马来酰亚胺的改性主要是在不降低其优良耐热性的前提下,尽量 降低熔点和成型温度,改善溶解性、 加工性能和韧性等。 
    3氰酸酯树脂 
    氰酸酯树脂具有优良的力学、耐 热、耐湿热和介电性能,其介电常数 和介电损耗在比较宽的温度(-50℃~ 230℃)和电磁波频率范围内变化较 小,主要用于高性能印刷电路板基材 和先进战斗机雷达罩树脂基体。20世 纪80年代开始应用于雷达天线罩。 如BASF公司的一种以氰酸酯/石英纤 维复合材料做成的天线罩,比环氧树 脂制备的天线罩介质损耗小3倍,介 电常数降低10%,吸湿率更小,湿态 介电性能更优。但氰酸酯树脂存在固 化后脆性较大的缺点,可以通过共混 和共聚来改善。共混改性主要是在氰 酸酯树脂中加入少量橡胶或高性能热 塑性树脂;共聚改性主要是用环氧树 脂、双马来酰亚胺或带不饱和双键的 化合物等与氰酸酯树脂进行聚合反应 来改善。 
    4聚酰亚胺树脂 
    聚酰亚胺树脂(PI)是近年来研 究最多的耐高温树脂,其在很宽的温 度和频率范围内仍能保持较高的介电 性能。PI复合材料的力学强度相当于 或超过环氧复合材料,是一种理想的 高性能导弹天线罩材料。其缺点是固 化困难,常需高温高压和复杂的升温 程序;由于反应生成的水或溶剂的存 在导致孔隙率较高,从而引起吸潮, 使电性能降低。典型代表是PMR型 PI,第一代PMR型PI的代表有美国 的PMR-15、Larc-RP-46和国内的 KH-304、LP-15等,可在316℃下长 期使用;第二代PMR型PI的代表有 美国的PMR-Ⅱ-50、V-CAP-75、 AFR-700B和国内的KH-305、KH- 307、KH-320B、KH-330、KH-310- 10、MPI等,可在370℃下长期使用; 第三代PMR型PI的目标是长期使用 温度达到426℃以上。 
    美国用PI复合材料制作航天发动 机的涡轮叶片,B-2隐形轰炸机的机身基材;在航天飞机轨道器上用GR/ PI代替铝制主结构件,可以减重1.5 万磅以上;石墨纤维增强PI复合材料 具有优异的耐高温性能和力学性能, 以及优良的介电性能,可作为高速巡 航导弹的雷达天线罩;可用添加重金 属粉末的PI制造用来保护鼻锥、舵面 和航空电子设备的辐照防护罩。 PI以多种形式得到了广泛应用。 PI树脂用作先进复合材料的树脂基 体,可用于制备绝缘漆、耐高温涂料、 耐高温胶黏剂和密封剂、耐高温工程 塑料;PI薄膜可用作电机绝缘及电缆 绕包材料,柔性印刷线路板、太阳能 电池底板及耐高温衬底等;PI纤维可 用作先进复合材料的增强剂、高温过 滤材料及防弹防火织物;PI泡沫塑料 可作用耐高低温隔热和吸音材料。 
    5高性能热塑性树脂 
    高性能热塑性树脂主要包括聚酰 胺类、聚碳酸酯、聚甲醛、聚砜类、 聚苯硫醚和聚醚酮类等树脂。该树脂 不仅使材料的耐热性能得到极大提 高,也使以该树脂为基体制作的复合 材料的力学性能得到提高。热塑性树 脂具有加工周期短、高韧性、可修 复、易于二次成型和可长期储存等特 点,应用范围在逐步扩大。 
    六、结束语 
    随着对先进航空航天技术需求的 不断增加,先进纤维增强树脂基复合 材料将不断向高性能、多功能和低成 本的方向发展;其增强材料将向超高 强度、超高模量、耐高温、低成本等 方向发展,基体树脂将向高韧性、高 阻尼、耐高温等方向发展。 先进纤维增强树脂基复合材料大 量应用的关键是制造成本的降低。随 着低成本材料及新型成型工艺的不断 采用,其生产效率和材料的质量将得 到大幅度提高,并大量应用于建筑、 汽车、高速列车、舰船、电力输送、 风力发电、土木工程等各个民用工业 领域。
 
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