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1、航空航天先进复合材料现状2014-08-10 Lb23742摘 要:回顾了树脂基复合材料的发展史;综述了先进复合材料工业上通常使用环氧树脂的品种、性能和特性;复合材料使用的增强纤维;国防、军工及航空航天用树脂基复合材料;用于固体发动机壳体的树脂基体;用于固体发动机喷管的耐热树脂基体;火箭发动机壳体用韧性环氧树脂基体;树脂基结构复合材料;防弹结构复合材料;先进战斗机用复合材料;树脂基体;航天器用外热防护涂层材料;飞机结构受力构件用的高性能环氧树脂复合材料;碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天中的其它应用;民用大飞机复合材料;国产大飞机的软肋还是技术问题;复合材料之惑。关键词:树脂基体;复合材料;国
2、防;军工;航空航天;结构复合材料0 前言复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。今天，一个国家或地区的复合材料工业水平，已成为衡量其科技与经济实力的标志之一。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。到 2020 年，只有复合材料才有潜力获得 20-25%的性能提升。环氧树脂是优良的反应固化型性树脂。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、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维、S 或 E 玻璃纤维复合，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、压力管雄、化工防腐等六个领域。本文重点论述航空航天先进
3、树脂基体复合材料的国内外现状及中国的技术软肋问题1 树脂基复合材料的发展史树脂基复合材料(Resin Matrix Composite)也称纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastics)，是技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业，在我国不科学地俗称为玻璃钢。树脂基复合材料于 1932 年在美国出现，1940 年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的雷达罩，其后不久，美国莱特空军发展中心设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的
4、飞机，并于 1944 年 3 月在莱特-帕特空军基地试飞成功。1946 年纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。1949 年研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁，尺寸、形状准确的复合材料模压件。1950 年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升飞机的螺旋桨。60 年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间，玻璃纤维-聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。1961 年片状模塑料(Sheet Molding Compound, 简称SMC)在法国问世，利
5、用这种技术可制出大幅面表面光洁，尺寸、形状稳定的制品，如汽车、船的壳体以及卫生洁具等大型制件，从而更扩大了树脂基复合材料的应用领域。1963 年前后在美、法、日等国先后开发了高产量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产线，使复合材料制品形成了规模化生产。拉挤成型工艺的研究始于 50 年代，60 年代中期实现了连续化生产，在 70 年代拉挤技术又有了重大的突破。在 70 年代树脂反应注射成型(Reaction Injection Molding, 简称 RIM)和增强树脂反应注射成型(Reinforced Reaction Injection Molding, 简称 RRIM)两种技术研究
6、成功，现已大量用于卫生洁具和汽车的零件生产。1972 年美国 PPG 公司研究成功热塑性片状模型料成型技术，1975 年投入生产。80 年代又发展了离心浇铸成型法，英国曾使用这种工艺生产10m 长的复合材料电线杆、大口径受外压的管道等。从上述可知，新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展。进入 20 世纪 70 年代，对复合材料的研究发迹了仅仅采用玻璃纤维增强树脂的局面，人们一方面不断开辟玻纤-树脂复合材料的新用途，同时也开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料(Advance
7、d Composite Materials, 简称 ACM)。这种先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。自从先进复合材料投入应用以来，有三件值得一提的成果。第一件是美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机-里尔芳 2100 号，并试飞成功。第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长 18.2m、宽 4.6m 的主货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器。在这架代表近代最尖端技术成果的航天收音机上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材料。第三件是使用了先进复合材料作为主承力结构，制造
8、了这架可载 80 人的波音-767 大型客运飞机，不仅减轻了重量，还提高了飞机的各种飞行性能。复合材料在这几个飞行器上的成功应用，表明了复合材料的良好性能和技术的成熟，这对于复合材料在重要工程结构上的应用是一个极大的推动。2 先进复合材料工业上通常使用环氧树脂的品种、性能和特性复合材料工业上使用量最大的环氧树脂品种是缩水甘油醚类环氧树脂，而其中又以双酚 A 型环氧树脂为主，双酚 F 型环氧树脂(DGEBF)和双酚 S 型环氧树脂 。其次是缩水甘油胺类环氧树脂和缩水甘油酯类环氧树脂。其他还有酚醛环氧树脂;间苯二酚型环氧树脂、间苯二酚-甲醛型环氧树脂、四酚基乙烷型环氧树脂、三羟苯基甲烷型环氧树脂、
9、富有柔韧性脂肪族多元醇缩水甘油醚型环氧树脂、环氧丙烯酸树脂和耐候性的脂环族环氧树脂，其可单独 或者与通用 E 型树脂共混，供作高性能复合材料(ACM)。缩水甘油胺类环氧树脂的优点是多官能度、环氧当量高，交联密度大，耐热性显著提高。目前国内外已利用缩水甘油胺环氧树脂优越的粘接性和耐热性，来制造碳纤维增强的复合材料(CFRP)用于飞机二次结构材料。3 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见表 1。表 1 对一些材料的性能进行了比较。由表 1 可见，仅玻璃纤维就比金属材料的比强度、比模量分别提高了 540%、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
10、墨理论强度高达 150GPa1。因此碳纤维的进一步开发潜力是十分巨大的。日本东丽公司的近期目标是使碳纤维抗拉强度达到 8.5 GPa、模量 730 GPa。毋庸置言，碳纤维仍将是今后固体火箭发动机壳体和喷管的主要材料。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 24。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
11、高科技 CFRP 新市场 5。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 6。表 1 各种纤维材料性能比较性 能 拉伸强度 拉伸模量 密度 比模量 比强度 产地/MPa /GPa /(g/cm3) 109/cm 107/cm30CrMnSi 1100 205 7.8 0.26 0.14 -D406A 1560 205 7.8 0.26 0.20 -S-玻璃纤维 3200 85 2.5 0.34 1.28 -F12 有机纤维4300 145
12、 1.44 1.00 2.99 俄罗斯IM6 碳纤维 5200 276 1.7 1.62 3.06IM7 碳纤维 5379 276 1.8 1.53 3.00IM8 碳纤维 5447 303 1.7 1.78 3.20IM9 碳纤维 6343 290 2.0 1.45 3.17美 国P30 碳纤维 4000 210 1.76 1.19 2.27T700 碳纤维4800 230 1.80 1.28 2.67T800 碳纤维5490 294 1.80 1.62 3.03T1000 碳纤维7060 294日 本碳纤维的开发始于二十世纪六十年代,起初用于耐烧蚀喉衬、扩张段材料，后来逐渐在其它结构件上应
13、用。自八十年代以来，碳纤维发展较大: 性能不断提高;七、八十年代主要以 3000MPa 的碳纤维为主。九十年代初普遍使用的IM7、IM8 纤维强度达到 5300MPa。九十年代末 T1000 纤维强度达到 7000MPa，并已开始工程应用。 品种不断增多。以日本东丽公司为例，1983 年生产的碳纤维品种只有 4 种，到 1995 年碳纤维品种达 21 种之多。不同种类、不同性能的碳纤维可满足不同需要，为碳纤维复合材料的广泛应用提供了坚实基础 5。page4 国防、军工及航空航天用树脂基复合材料据有关资料报导，航天飞行器的质量每减少 1 干克，就可使运载火箭减轻 500千克，而一次卫星发射费用达
14、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。处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
15、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
16、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
