航空航天材料

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1、航空航天材料简要。本文介绍7经过增强的工程热望性材料以琏热固性材料在航空航无方面的应用。远号应用有； 雷达天线罩、飞行器结构、陀螺外万向架、电路板， 导弹弹体构架等。主题词： 热塑性塑料，航天材料，航空材料， 复合材料引 言航空航天工业总是期待着性能优良、重量轻，价格便宜的材料。“塑料 己存在相当长的时间了，但是常用塑料本身，尽管重量轻，价格便宜，但在航空航天领域里应用并不多。复合材料使用了特性增强荆来弥补其基体塑料性能之不足。复合材料用途较多， 目前，为了某些领域的应用， 己制成热固性树脂为基体的复合材料。热固性材料， 当固化时， 其分子交联， 一旦成型，其形状不能改变， 这些材料中典型的是

2、在一些船壳制造中使用的玻璃增强塑料(GRP)。另一方面，热塑性材料，一经加热，即可成型并冷却， 还可再次加热并再次成型，典型的有，聚乙烯薄镀反射罩和聚氯乙烯(PVC)双釉。不幸的是， 热塑性材料己不是一种优良的材料了。它受到因对该材料性能了解不多造成设计不良的严重损害。许多年来， 改变热塑性材料不利状态依赖于对工程热塑料更完善的认识。这些塑料有聚酰胺(尼龙)， 二乙醇共聚物， 聚酯。这期间， 注意力集中在上述塑料与如象聚乙烯， 聚氯乙烯， 聚苯乙烯这种 商品 塑料之简的差别。这些工程塑料已在市场上取得成功， 在某些情况下其寿命更长些。这项成功的基础是主供应厂商们的宣传教育， 他们认为，对任何组

3、件来说， 热塑性材料都需有正确的设计、合格的材料以及适合的工艺方法。 在低等级塑料设计中，不能取代热塑性材料但是， 当工程热塑性材料市场范围扩大时， 塑料市场在方向变化上变得成熟，特别是在普通材料在全部应用中不能满足设计者的总要求时。在这些要求中，最主要的是能承受的结构温度较低， 因此，降低了潜在的应用价值。当继续研究时，虽然在价值上依据未加工材料价格和生产价格，但市场仍准备接受提高了性能的材料。主供应厂商努力对付这种挑战， 并且在70年代， 第一代新型热塑性材料进入市场，特别是在过去的几年里，取得了明显的增长。所有这些新生产的高性能工程热塑性材料是以其特性为其特征的，除它们所具有一些有用的性

4、能外， 耐高温性能是最突出的性能之一。为了确定能否满足挑战的要求， 建议给出各种类型材料， 及其特性的简单比较， 在这之前， 给出热塑性材料及其复合材料所具有的潜在的以及在某些情况下， 所具有的更多的先进性能的简单应用情况。材 料热国性材料大部分已投入使用的热固性材料为大家所熟知的 GRP(玻璃纤维增强塑料)材料。这些材料一般具有弹性性质，并已用象增强纤维这样的材料提高其性能， 以便提供应用泛围更为广泛的材料， 应用泛围有公共汽车的候车亭、飞机和卫星的结构。热固性材料特性可以用其化学性质来表征。由于用这种材料制成的组件在生产时要固化， 分子间要进行交链反应， 所以这些材料具有像玻璃一样的光滑，

5、 易碎、并且工艺性能差等特性。这种类型的典型材料从商业聚酯化物到作为主流材料的环氧类， 它们都很少具有高温性能。然而， 也有一些其它的热固性树脂， 它们之中的每一种均具有独特的性质， 而是主流材料所不具有的。例如， 乙烯树脂酯在化学腐蚀的环境中非常适用， 丙烯酸盐氨基甲酸乙酯是一种新型的树脂系列， 它具有快速固化的潜在优势、固化周期是以分计，而不是小时或者天， 对于生产速度高的树脂喷注工艺来说是理想的热固性材料的生产技术主要受到手工铺置(这种技术在热固性材料生产工艺中起主要作用， 并且在这种工艺中，对自动化在生产成本可行的部件起关键作用)和新型喷射成型工艺的限制。热塑性材料这是一种可进行多次成

6、型的材料。进行初始成型的工艺技术范围非常广泛， 包括喷注，压缩吹制、挤压以及浇注等各种方法。这种材料有两种化学结构， 它们的热塑性就是在这种结构的基础上形成的。一种化学结构是任意分子结构的无定形聚合物， 另一种是甚有序分子结构的结晶聚合物。高性能工程热塑料材料分为两种，并具有不同的特性，但均具有相同的高温性能。无定形热塑性材料通常是透明的、具有转移温度(Tg)(200X)高， 熔化范臣大， 抗蠕变性好以及耐化学腐蚀性的材料。此类高性能工程热望性材料属于多芳基化合物， 如；聚醚砜 PES聚砜 PSF 以及玫型聚酰亚胺聚醚酰亚胺 PEI结晶热望性材料通常是半透明或不透明的， 转移温度较低(Tg s

7、150)， 到达熔点迅速，耐磨、抗疲劳、化学性能好。这些聚合物有。聚醚醚酮 PEEK聚醚酮 PEK聚酮 PK对聚苯硫 PPS这是一些典型的多芳基化合物聚合物，而聚酰胺亚胺PAI是一种改良型聚酰亚胺。这两种聚合物之间的主要差别在于其性靛随温度的变化而不同， 如图1所示。图lA表示， 弹性模量在温度达到Tg之前随温度变化的情况， 其性靛曲线以一种梯度形式下降， 而这种材料缓慢地熔化。结晶型材料的弹性模量随温度的变化(图1B)有两个特殊阶段，弹性模量在Tg处下降，当该种材料的温度达到其熔点(Tin)时， 又一次快速下降。目前，芳基化物和改良酰亚胺是两种主要的聚合物材料， 它们占据着高性靛热塑型材料市

8、场。但是， 新型材料的研制一直在进行，例如液晶或自身增强聚合物X州ar和Vectra以爱DsMNetherland s研制的46尼龙型材料。利用在上述材料中加入增强剂的办法，使得热塑性复台材料在高性能元器件的应用上具有明显的潜力。热塑性材料的远景应用雷选天线罩 雷达天线罩材料的选择受到应用的限制， 由于天线罩具有穿透雷达频率的靛力， 所以只能用非金属材料。雷达天线罩基本上是个具有气动力外形的壳体，它可以保护雷达天线不受环境的影响，对信号不太会或根本不会造成衰减和失真。目前，已经用由连续玻璃纤维或aramid纤维增强的热固性材料制成， 并且还必须用台成橡胶涂料涂敷， 以保护天线罩不受高速的雨滴、

9、冰雹和雪的影响。这种热固性材料还不受飞行器的各种流体和燃料的影响， 在本应用范围内，飞行器各种流体和燃料与材料是极为相窖的。目前，在该极特定范围内的新型热塑性材料可能超过热同性材料，如这些材辩具有固有的耐蚀性，这是由于这些材料的天然刚性， 并且在结晶状态下还具有固有的耐化学腐蚀性更重要的是，它在广泛的温度泛围内有可控绝缘性能， 以及存在着消除用于环境防护的橡胶涂层的潜力， 解决了信号衰减的设计问题。但是， 当需要高温加工设备时， 由于对成本产生很大的影响， 热塑性材料的制造可能限制了产品的尺寸。当试图连续生产塑强热塑性材料的天线罩时，生产制造即成为重大问题了。飞行器结构飞行器组台件是用轻金属合

10、金制造的， 但是，提高含有高强度连续碳纤维的环氧碳复台材料的使用已减轻了组件的重量， 并且其某些性能超出了一般的金属。热固性基体复台材料， 其本身要求成型周期长， 以便使热固性复台材料的组件较好地达到预计性能。交联键基体材料呈玻璃态， 而热塑性材料成型后仍保留可塑性，特别是在涉及到的故障容限上具有台乎要求的特性， 因此， 热塑性材料是有希望的。 连续碳纤维增强热塑性材料，像PEEK-APC，也表明共生产周期缩短，无贮存寿命或固化周期，优越的耐热、耐湿性以及较好的故障容限性， 但是不易制造，并且由于最一般的热固性热压处理成型技术之故而还未投入使用， 因此，在高性能应用上才刚刚开始。另外一些没有什

11、么结构要求的飞行器应用是人孔盖。由常用的铝材改为热固性复台材料， 其重量减轻25 。就热塑性材料而言， 这种重量的减轻随生产成本的降低而提高， 典型情况下， 是常用复台材料的三分之一。用于制造这些组件的典型生产技术采用了改进的冲压技术，这种冲压技术特别适用于以热塑性PPS和PEEK作为基体材料的连续纤维复台材料。陀螺外万向架现代陀螺组件主要用铝材制造， 这可以达到减轻重量和提高刚度的要求， 同时还满足极高的尺寸允差要求。当前的工作是评价在本项范围内应用复台材料时降低成本的主要原因， 特别是在组件产量达到数万件时。已经对使用可塑性复台材料的两种技术进行了评价。一种是环氧碳单向铺层、粘结和机械固接

12、到复合铝台金上的技术。它具有较好的尺寸稳定性， 尤其是在热膨胀时。第二种为注模工艺技术，这种技术使用了在几种如像PEEK，PES，PEI和PPS这些工程热塑性塑料中加入短碳纤维而制成的复台材料。这种方法的优点是在极高的弹性模量的条件下减轻重量， 并能对轴承和轴瓦进行整体模压制造， 因此进一步降低了生产成本。表1列出了这种应用方法的典型性能的比较。电路援三十年来， 印刷电路板使用了以聚酯树脂， 环氧树脂以及聚醢亚胺作为热固性基体材料和以璃玻纤维编织物或纸作增强材料而构成的复台材料。新型和先进的 电子封装 技术需要有具有不同特性的电路板，很多普通材料不能满足要求， 特别在介电常数上由于普通工程热塑

13、性翅料的限制而使得先进技术的希望有所减小， 在PES和PEI选种塑料出现之前， 不会满足如下一些设计准则的要求， 这些准则是经受住焊接温度和时间，使用标准技术进行生产I提供良好的导体基体的粘接。当前趋向于使用无定形材料， 这些材料在温度达到转移温度(T g)之前，尺寸稳定性较好， 不发生相变。像PSF，PEI和PES这些材料， 其T 和热失稳温度(HDTS)均高，且不易燃， 就国际规格(美NUuderwriter s试验室)来说， 比大多数常用基础材料要高。对许多改进的电系统， 这些材料具有潜在的优势， 但是， 前一些传统的材料仍适用于许多设计上 典型材料的比较见表2。导弹弹体构架制造导弹的典

14、型方法是用铝材经锻造或铸造制成单独的圆筒形段， 然后焊接而成整个弹体。为了降低成本， 特别是对生产上千发导弹来说，需采用成本很低的导弹设计工程方法。这就是半壳式设计方法， 这种方法除具有高生产率外， 其主要的优点是整个导弹弹体的焊接工作量明显降低(见圈2)对各种成塑方法进行了评价，戚塑使用的材料是高性能工程热塑性材料，成塑方法包括从连续纤维热固性树脂喷注法到热固性压膜和注膜法。上述每种生产技术都可能满足所需大量的导弹结构设计要求。对任何塑性材料来说， 热塑性材料具有最高的潜在生产速度。直到目前为止， 许多常用的热塑性材料尚不能满足导弹结构应用要求。但是，像PPS、PEEK和PES聚台物的出现产

15、生了成本一效果设计结果， 尤其是将增强钎维加入到天然高性能基体材料时。在本应用中使用的几种复合材料的典型性能列于表3。对各种成塑方法进行了评价，戚塑使用的材料是高性能工程热塑性材料，成塑方法包括从连续纤维热固性树脂喷注法到热固性压膜和注膜法。上述每种生产技术都可能满足所需大量的导弹结构设计要求。对任何塑性材料来说， 热塑性材料具有最高的潜在生产速度。直到目前为止， 许多常用的热塑性材料尚不能满足导弹结构应用要求。但是，像PPS、PEEK和PES聚台物的出现产生了成本一效果设计结果， 尤其是将增强钎维加入到天然高性能基体材料时。在本应用中使用的几种复合材料的典型性能列于表3。时，预定纤维取向是重

16、要的。 自鼐五烯出现以来，现有的工程热塑料已经发展了相当长的一段时间，但是在热性能方面， 温度性能产生了自己的问题 生产这些材料需要很高的温度， 并且生产连续纤维复合材肆组台件优之生产与其相似的热固性材料组件要困难得多。这种情况的发展， 使之适台于重要的应用上。在这些应用中， 热塑性材料可作为基体材料而取代许多常用的热固性材料。 一热塑性材料的一个突出优点就是它可以作为一种纯树脂束生产工程组合件而不需加入增强材料。热同性枋料仅作为树脂来使用是不实际的，要保证使用，则需要特性增强剂。结 论本文说明了热塑性材料及其复合材料在航空艟天应用中的范围，其潜力是否完全满足要求将取决于所选用的材料能按成本 效果要求进行组件设计和生产。从用于增强剂的纤维到用于降低密度以及介电特性的空心微球颗粒的这些特性增强剂表明，所有。塑性一材料都具有满足大部分应用的通用性，丽在这些应用中，均使用了热塑性材料。疑后指