新一代飛行器

    "輕質化、長壽命、高可靠、高效能、高隱身、高突防、低成本"是新一代飛行器的發展目標.在碳纖維、碳納米管以及熱塑性樹脂的基礎上,高性能復合材料具有輕質、高強、可設計、抗疲勞、易于實現結構/功能一體化等優點,成為繼鋁、鈦、鋼之后迅速發展成為飛行器四大結構材料之一.

復合材料發展的基礎-高性能增強材料與樹脂基體

    (一)增強體材料

    1、碳纖維

    目前較廣泛采用的增強體材料主要有:碳纖維、Kevlar( 聚芳香族酰胺) 纖維、UHMWPE( 超高分子量聚乙烯) 纖維、PBO( 聚苯并噁唑) 纖維等高性能纖維.

    碳纖維研究發展主要是提高強度、模量與斷裂伸長率,降低生產成本,穩定產品質量.應用最廣的主要是聚丙烯腈( PAN) 基碳纖維.T800H 是一種中等模量、高拉伸強度碳纖維,其拉伸模量比T300 提高了30%,拉伸強度則提高了50%,用其制成的復合材料結構損傷容限得到明顯提高.

    2、新興的碳納米管復合材料

碳納米管

    2000 年后碳納米管紗線和碳納米管膜的相繼問世,使得納米復合材料中碳納米管( Carbon Nanotbue,CNT) 的含量可達40 ~ 60wt%,對于納米復合材料的發展具有里程碑意義.

    連續碳納米管纖維是將碳納米管在一定張力下沿一定角度取向所形成的連續紗線.CNT 纖維制備無需前驅體交聯氧化、碳化過程,碳管依靠過剩的表面自由能、管間范德華力等作用,排列組裝形成宏觀連續纖維.

    Liu等采用多次牽伸和壓實方法得到高取向高致密化碳納米管膜,與高分子材料相似,碳納米管膜在拉伸過程中出現頸縮現象,隨著碳納米管的排列有序化,其膜密度和拉伸強度均提高兩倍,分別為0.98g /cm3和598MPa.

    Cheng 等將牽伸取向的碳納米管膜與馬來酰亞胺樹脂體系復合,采用熱壓工藝制備得到碳納米管膜復合材料,其碳納米管質量分數高達60%,拉伸強度和模量分別為2GPa 和169GPa.進一步通過環氧功能化處理和熱壓工藝制備的碳納米管膜復合材料,強度和模量高達3GPa和350GPa.由于碳納米管膜出色的電磁屏蔽性能,NASA已將Nanocomp 公司生產的碳納米管膜應用于朱諾飛船以保護其關鍵部件免受靜電放電帶來的損傷.

    碳納米管膜及其復合材料在防雷擊應用方面也引起廣泛關注.Park 等研究表明單壁碳納米管膜具有很好傳導超強電流的能力,能夠起到保護內部材料的作用,由此推測碳納米管宏觀體有望成為新一代輕質高效的防雷擊材料.

    北京航空航天大學材料學院在碳納米管纖維/膜及其制備的納米復合材料力學、功能特性方面取得了一定研究成果,為國內碳納米管復合材料在航空航天領域的發展奠定了堅實的理論基礎.

    (二)基體材料

    目前樹脂體系按韌性可分為四代,按耐溫性能可分為三代.從韌性角度來看,國外樹脂已經發展到第四代,如下圖所示.近期復合材料高性能樹脂基體研究主要圍繞提高長期服役溫度,改善樹脂韌性、工藝性及耐濕熱性能等方面展開.熱固性樹脂體系研究主要集中在環氧樹脂、雙馬來酰亞胺( 簡稱雙馬) 樹脂上,同時具有優異耐溫性的聚酰亞胺樹脂和綜合性能優良的氰酸酯樹脂也受到了關注.

國外樹脂基體的發展狀況

    熱塑性樹脂在航空航天領域內得到了越來越廣泛的應用.其具有以下優點:

    ①優異的抗沖擊韌性、耐疲勞損傷性能;

    ②成型周期短、生產效率高;

    ③纖維預浸料不需要低溫貯存;

    ④制品可重復加工,廢舊制品可再生利用;

    ⑤產品設計自由度大、成型適應性廣.

    在軍機方面,美國F-22 戰斗機上熱塑性復合材料用量達到10%.研究人員將碳纖維增強聚醚醚酮和碳纖維增強改性雙馬樹脂兩種復合材料應用在F-5E 和T-38 飛機上,并在同樣條件下進行飛行試驗.結果表明,熱塑性樹脂基復合材料在抗分層和缺陷數量方面具有一定的優勢.聚醚醚酮( PEEK) 預浸料已經應用在F117A 全自動尾翼,C-130 機身的腹部壁板,法國陣風機身蒙皮等部位.

    在民用飛機方面,先進熱塑性樹脂同樣具有重要的應用,如空客A340 /A380 飛機機翼前緣應用碳纖維增強的聚苯硫醚復合材料.航天方面,熱塑性復合材料應用也越來越廣,如采用AS4c 單向織物/PEEK預浸料制備的反射鏡基板、復合PEEK 樹脂制成反射鏡等.

  復合材料發展的保障-高精度無損檢測技術與可靠評價

    復合材料在制備、服役過程中容易產生裂紋、脫粘、分層等缺陷.因而復合材料的性能蛻變、損傷演化、疲勞等的檢測/預報/預防問題,已成為保障復合材料結構可靠應用的重要方面.

    目前,采用非接觸無損檢測技術可以提高檢測效率、節約維護成本、縮短型號研制周期.此類技術主要可分為基于機械振動的空氣耦合超聲檢測技術,基于光學的紅外熱像技術、散斑干涉技術、全息成像、太赫茲技術、超導量子干涉技術以及激光超聲、電磁超聲等混合技術.例如采用空氣耦合超聲檢測技術,實現波音B737 機翼后緣蜂窩夾芯材料、空客A320 副翼、波音737 尾翼、黑鷹直升機旋翼、泡沫夾芯材料及相應構件的檢測.超聲紅外熱像技術基于缺陷區機械波引起的摩擦熱效應而建立,已在航空發動機葉片裂紋、Nomex 蜂窩結構蒙皮脫粘及表面裂紋等缺陷的檢測中得到驗證和推廣.

飛行器表面無損檢測

    此外電子散斑干涉技術( ESPI) 及電子剪切散斑干涉技術( ESSPI)能實時、可靠地檢測出玻璃纖維復合材料、蜂窩夾芯材料中脫粘、分層、沖擊損傷等典型缺陷,尤其對復合材料內部開裂、裂紋較敏感等問題可及時準確檢出,如上圖所示.

責任編輯：周婭

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