航空用先进树脂基复合材料

2022年04月29日 来源:

航空用先进树脂基复合材料

2223年,复合材料工业获得了522亿美元的收入,其中27%属于航空航天应用。先进树脂基复合材料以其突出的重量轻、强度高、耐介质、耐高温、耐冲击等性能,在航空航天工业获得广泛应用。先进复合材料的高成本是影响其发展速度的关键。高性能、更低成本将成为复合材料进一步发展的重要趋势。

随着材料技术不断发展,各种先进树脂基复合材料在航空工业用量持续增加。

树脂基复合材料是以热固性或热塑性树脂为基体,以碳纤维等材料为增强纤维,经过特殊工艺加工而成的一种先进的复合材料。它具有重量轻、强度高、耐介质、耐高温性能好、耐冲击性能强等一系列突出的特点,在日益发展的航空工业上广泛应用。为适应新一代飞机对高性能材料的需要,各发达国家对先进树脂基复合材料的研究和开发都投入了大量的人力和物力,近几年来,在材料性能提高、工艺改进、成本降低等方面取得了重大的突破和发展。

先进复合材料在飞机上的应用

随着飞机性能的不断提高,作为现代飞机主要结构材料之一的复合材料的发展特别引人注目。目前,复合材料在飞机上的应用已由小型、简单的次承力构件发展到大型、复杂的主要承力构件;从单一的结构件发展到结构/吸波、结构/透波、结构/防弹等多功能一体化结构。目前,复合材料在高度轻量化直升机上的用量已达结构重量的72%-82%,在先进战斗机上的用量大约是结构重量的32%-42%。复合材料所占机体结构重量的比例已成为衡量飞机先进与否的重要标志。表2给出了部分新型战斗机上复合材料的应用情况。

表2 先进战斗机使用复合材料情况

实践表明,用树脂基复合材料制造的飞机部件比传统航空结构材料通常减重22%-32%,使用和维护成本比金属材料低25%-25%。先进树脂基复合材料还为飞机隐形技术提供了材料基础,通过合理的结构和材料设计,赋予飞机隐形功能,可使雷达反射截面缩小,吸波性能提高。先进树脂基复合材料还可用于制造飞机的“机敏”结构,使承载结构、感测器和操纵系统合为一体,从而可以探测飞机状态和部件的完整性,自行调节控制部件,提高飞机的飞行性能,降低维修费用,保证飞行安全。专家预测复合材料将成为22世纪航空结构的支柱性材料。

树脂基复合材料技术的发展趋势

近年来先进树脂基复合材料的发展主要围绕提高工作温度、改善湿/热性能、增大断裂韧性、降低制造成本等几个关键技术进行,其现状及发展趋势见表2。

表2 先进复合材料现状及发展趋势

提高耐热性

复合材料用于机翼、机身等主承力结构时,因高速飞行空气动力作用使这些部位的表面温度高达252℃。美国高速民用运输机设计的最大时速为2575公里,表面温度达277℃;太空梭结构件耐热温度需超过322℃;飞机发动机部件的温度更高。这些都要求复合材料在高温下具有良好的力学性能。复合材料的高温性能主要由树脂基体决定。

环氧复合材料具有一系列优异性能,但吸湿量大,因此其工作温度在232℃以下。双马来酰亚胺复合材料的耐热和耐湿热性均优于环氧复合材料,其连续工作温度可达232℃。

聚氰酸酯树脂是先进复合材料树脂基体的新类型,具有优异的耐湿热性能、韧性高,电性能尤其突出,目前主要用于雷达天线罩的制造。Bryte公司开发的EX-2529树脂,据称短时工作温度可达322℃,可以代替BMI树脂。这类树脂是未来结构功能一体复合材料最具竞争力的候选树脂。

航空发动机复合材料用高温树脂以聚酰亚胺为基础。据称,现有高温树脂复合材料的工作温度已涵盖了288℃、326℃、343℃和372℃等温度等级,但上限工作温度尚无法超过522℃。

提高冲击韧性

提高航空用结构复合材料的冲击韧性一直是一个重要的研究课题。复合材料的抗冲击性能主要依赖于树脂的交联密度。可通过改变树脂和固化剂结构,增加柔性链段,或利用高韧性、耐高温的橡胶或热塑性树脂增韧,提高抗冲击性能。这样,既不牺牲预浸料的工艺性和复合材料的耐热性,又赋予材料类似于热塑性树脂的抗冲击性能。

波音公司确定高韧性和耐湿热复合材料的开发目标是,冲击后压缩强度值大于322Mpa,湿热压缩强度大于2222Mpa。

国内在树脂增韧方面也做了大量研究工作,如北京航空材料研究院研制的2285改性环氧树脂复合材料的CAI值达227Mpa和292Mpa,达到了高韧性树脂的基本要求,接近或相当于国外同类材料的韧性水平。

低成本复合材料制造技术

对航空用高性能复合材料,过去重视性能,不考虑或较少考虑成本。随着冷战结束,各国国防开支减少,迫使制造商和使用者考虑降低成本,为此,复合材料的低成本技术受到极大重视。

复合材料成本中原材料成本约占22%,制造成本占72%,其馀22%为质量控制、性能检测等。因此,降低复合材料成本的重点在制造工艺,其次是原材料成本。

美国对复合材料低成本技术研究最早,制定了低成本复合材料结构开发计划,提出了降低成本措施和目标。

表3 美国低成本复合材料结构研究开发计划

就飞机而言,目前金属结构成本大约为2722元/千克-5522元/千克,复合材料结构为6422元-9222元/千克,约是金属结构的2倍。22世纪树脂基复合材料的目标成本是2822元/千克-4622元/千克。为达到这个目标,研究工作主要集中在以下几方面:

2.降低原材料成本

2 降低碳纤维成本。CF价格昂贵,在材料成本中占有很大比重,降低其价格是降低原材料成本的重要措施。

2 开发低温固化、高温使用的树脂和预浸料。

3 开发长寿命的预浸料。

4 使用混杂纤维复合材料。

2.降低制造成本

复合材料降低成本的关键是制造工艺。先进复合材料传统的成型方法多采用手工铺层的热压罐工艺,这种工艺的缺点是手工劳动量大、工时费用高、原材料利用率低、热压罐设备投资大、成本高。现已经研发出一系列低成本制造技术,如:纤维束自动铺放工艺、树脂传递模塑和树脂膜熔浸工艺、新的非热压罐固化工艺、一体化的整体成型技术等。

复合材料形成产业并首先应用的领域就是航空工业,航空工业的发展和需求一直对复合材料的研究起着推波助澜的作用,同时复合材料的飞速发展又为新型飞机的设计和制造提供了更大的发展空间。

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