《聚酰亚胺泡沫材料在航空航天飞行器中应用进展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《聚酰亚胺泡沫材料在航空航天飞行器中应用进展（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、综述 收稿日期: 2004 - 10 - 10;修回日期: 2005 - 05 - 27基金项目:国家自然科学基金(50103010)作者简介:楚晖娟, 1970年出生,博士,主要从事功能高分子及多孔材料的研究聚酰亚胺泡沫材料在航空航天飞行器中应用进展楚晖娟 朱宝库 徐又一(浙江大学高分子科学研究所,杭州 310027)文 摘 总结了新型聚酰亚胺泡沫材料在航空航天飞行器中如低温贮箱隔热体系、 蜂窝结构材料、 透波 材料、 机身隔热体系、 飞行器座椅等方面的应用进展,指出今后聚酰亚胺泡沫材料研究和应用的方向和趋势。 关键词 聚酰亚胺,泡沫,飞行器,应用,隔热体系Application of Po
2、lyimide Foam Materials in Aerospace VehiclesChu Huijuan Zhu Baoku Xu Youyi( Institute of Polymer Science, ZhejiangUniversity,Hangzhou 310027)Abstract Applications of new polyimide foams in aerospace vehicles are introduced, e. g .in thermal2insula2ting systems for cryogenic tank, honeycomb sandwich
3、structures, radomes and chairs . The direction of the future re2search and application of polyi mide foams is pointed out .Key words Polyimide, Foam,Vehicle,Application, Thermal2Insulating system1 引言为了保证航空航天飞行器的安全、 高效飞行,需要使用大量轻质泡沫材料。目前应用最多的是聚氨酯泡沫,但它最大的缺陷是易燃。1967年,阿波罗4A飞船在登月地面试验中失火爆炸,促使美国NASA开始研制火中无烟
4、、 火焰不扩散、 无毒性、 无释放毒气的轻质材料。由于聚酰亚胺是一类综合性能最佳的聚合物1 ,因此成为主要研制对象。2 聚酰亚胺泡沫材料在航空航天飞行器中的应用聚酰亚胺泡沫材料在航空航天飞行器中可用做隔热材料、 透波材料、 结构材料以及座椅材料。选择不同的二酐和二胺单体组合可制备性能不同的聚酰亚胺泡沫材料2 ;也可对聚酰亚胺改性,如引入脂肪二胺或二氨基聚硅氧烷可增加其弹性和柔韧性35 。聚酰亚胺泡沫材料可制成不同密度的片、 板、 膜、 筒、 微球、 泡沫涂料、 泡沫胶黏剂等制品,层压在其他结构上6。2. 1 低温贮箱隔热体系低温贮箱是重复使用运载器的核心部件之一,包括液氢和液氧贮箱。先进的液氢
5、燃料飞行器要求使用更有效、 更强韧的低温隔热材料,能在超声速飞行中保持良好的隔热性能,防止燃料沸腾,阻止空气在贮箱外壁上的液化作用,并能重复使用。例如X- 33运载器燃料贮箱要求必须用轻质泡沫隔热,以保证其结构在- 250250 保持完整。许多低密度聚合物泡沫在液氢温度下( - 253)会脆裂,有的泡沫在一定程度上能耐低温,但不能保持结构的稳定。目前使用的轻质贮箱隔热材料是硬质聚氨酯闭1宇航材料工艺 2006年 第3期孔泡沫。这种泡沫在低温时隔热性能较好,但易脆, 需要用增强或者涂覆的方法来提高其耐用性,但会增加泡沫的密度和导电性。聚氨酯泡沫的分解温度 是124,其最高使用温度为80,因此它不
6、能承受 高速飞行时气动发热所产生的高温,需要有一个独 立的热防护体系,维持低温贮箱隔热系统的温度在 其最高使用温度以下的可靠性。在重复使用运载器所经历的恶劣环境下,聚氨酯泡沫会降解。因此,将 这种泡沫用于重复使用运载器的隔热部件,每次飞 行之后,这些泡沫由于破损,就要被换掉,更换过程 需要耗费大量的人力物力。用聚酰亚胺泡沫制作的 低温贮箱隔热层,不易损坏,能够完成多次飞行任务,减少因泡沫性能不良引起的维修费用。由于聚 酰亚胺泡沫耐高温、 热导率较低,因此可以减少飞船 上热防护系统必需的质量,以承受更多的载荷。目 前应用的聚酰亚胺泡沫都是先制成大块,再剪裁成 小块,现场安装到特定的部位。这个过程
7、工作强度大,并且会留下许多废料7 。NASA研制的TEEK 系列低密度聚酰亚胺泡沫89 ,密度在8320 mg/cm3,其热导率如图1所示10 。采用TEEK技术,经 由中空微球制得的聚酰亚胺泡沫,几乎全部是闭孔 结构,它的优势之一是可以对飞机、 宇宙飞船上破损的聚酰亚胺泡沫进行原位安装和修复,并且利用中 空微球易于制备注塑泡沫结构1113 。图1 TEEK系列聚酰亚胺泡沫的热导率与温度的关系Fig . 1 Relation of thermal conductivity and temperaturefor various TEEK polyimide foams 2. 2 蜂窝结构材料将一
8、定量的聚酰亚胺前体粉末放入多孔材料中,原位发泡,得到硬质的泡沫填充蜂窝材料,泡沫材料的拉伸、 压缩及剪切强度都得到很大提高,同时,聚酰亚胺的耐高温性能提高了蜂窝材料的使用温度14 。2. 3 透波材料 天线罩是一种透波装置,具有导流、 防热、 透波、承载等多种功能。天线罩材料不仅要具有低的介电 常数(177,冲击韧性为12kJ /m2,平均 为1. 4, tan为210- 2,最好的能达 到710- 3 16 ,可满足天线罩材料的要求。 聚酰亚胺泡沫也可用来制备雷达地面监控装 置。以聚酰亚胺泡沫和聚酯树脂PE -玻片G M4001A制成的透波窗户,不易被发现,提高了雷达监控 设施的安全性,电磁
9、信号能在室内雷达天线和远处 雷达目标之间传递。透波窗户的内、 外层材料为聚 酯树脂,厚为0. 31 cm,为3. 97, tan为11310- 2;中间层是硬质聚酰亚胺泡沫,厚为0. 31 cm , 为1. 11, tan 为310- 3 17。2. 4 机身隔热体系 目前应用的机身侧壁结构材料是一层或多层Microlite AA玻璃纤维组成的密封片,外面包覆增强 的Mylar膜,紧贴飞行器机身的铝质材。在模拟着火条件下,这种机身结构很快熔化。测试发现,火焰 通过隔热保护系统只需23 min。只有延长火焰通 过时间,才能使机组人员和乘客有足够的时间撤离。 延长火焰通过时间有多种方法,但大都会增
10、加热防 护系统的质量。在隔热层中加入聚酰亚胺泡沫,在 不增加质量的前提下,火焰通过时间延长至5 min, 甚至超过7 min18。例如以玻璃纤维绝热层、 泡沫绝热层、 耐高温材料涂层组成的隔热材料,外包My2lar或聚酰亚胺膜,泡沫绝热层使用的是密度为418 916 mg/cm3,厚2. 54 cm的聚酰亚胺泡沫。其中以聚酰亚胺膜包覆的体系火焰通过时间为8. 5 min, 而Mylar膜包覆的体系火焰通过时间只有4. 25min19 。用聚酰亚胺泡沫-铝-聚酰亚胺泡沫制备2宇航材料工艺 2006年 第3期的隔热体系能在- 217 和超声速飞行环境204 中保持良好的隔热性能20 。将聚酰亚胺泡
11、沫粘在铝板上用作航天飞机表面绝热板,板厚2. 3 cm。当 表面温度为330 时,板的内壁温度下降至225; 聚酰亚胺泡沫的最佳密度为614 mg/cm3。这个密度的泡沫能在航天飞机起飞、 轨道飞行、 载入期间保 持良好的绝缘性能,热导率虽然随温度有一定变化,但不超过8. 3 W / (mK)21 。2. 5 航空航天飞行器座椅目前航空航天飞行器座椅使用的都是聚氨酯弹 性泡沫,其缺点是易燃。聚酰亚胺泡沫有阻燃性、 自 熄性,可有效地弥补聚氨酯泡沫的缺陷。但是聚酰亚胺泡沫存在一些问题,如压缩疲劳寿命短,在使用中重复压缩,泡沫过早地失去弹性;缺乏足够的柔软 度和舒适感,因此限制了他们在飞行器座椅中
12、的应 用。Indyke等22用含1%40%的2 - (邻-二羧基环己烯基)丁二酸或其酸酐与芳香羧酸或酸酐组成混合二酸或酸酐,与芳香二胺及杂环二胺反应得 到的弹性聚酰亚胺泡沫,具有较好的压缩性能和柔 软度。维持压缩50% , 70 老化22 h后压缩变形为21%;维持压缩90% , 70 老化22 h后压缩变形为61%。此泡沫的弹性模量为145 kPa,断裂伸长率为24% ,极限氧指数为35。经疲劳测试,样品可重复使用114104次以上,适合作为航空座椅的材料。 以2, 3, 3, 4-联苯四酸二酐、 对苯二胺及1%的二氨基二硅氧烷为原料制得的弹性聚酰亚胺泡沫密 度可达915 mg/cm3,Tg
13、为3904。3 结束语采用不同的原料和工艺,得到的聚酰亚胺泡沫 材料能满足航空航天飞行中不同部件的要求,但是还有许多问题有待深入研究,如泡沫材料的结构与 性能的关系,包括:化学结构与强度、 耐热性关系;发 泡工艺与泡孔结构、 泡沫性能的关系等;新型聚酰亚胺泡沫材料合成及性能研究;单体二酐的合成新方法研究,降低二酐的合成成本;新的聚合、 成型工艺 研究。大面积大体积成型泡沫复合材料的研究将会 为聚酰亚胺泡沫材料的运用开辟新的领域,在航空航天领域,聚酰亚胺泡沫材料将获得更广泛的应用。 参考文献1 丁孟贤,何天白.聚酰亚胺新型材料.北京:科学出版社, 1998 2 Weiser E S, Johns
14、on T F, St Clair T L et al . Polyimide foams for aerospace vehicles . High Perform. Polym. , 2000; 12 (1) : 112 3 Gagliani, John, Sprathia et al . Development of polyimide foamswith blowing agents . US4506038, 1985 - 03 - 19 4 Yamaguchi, Hiroaki, Yamamoto et al . Aromatic polyi m2 ide foam. US657668
15、3, 2003 - 06 - 10 5 Choi, Kil Y,Lee et al . Method of preparing polyi mide foam with excellent flexibility properties . US6057379,2000 - 05 - 02 6 邱银,汪树军.聚酰亚胺泡沫材料.化工新型材料, 2003; 31(8) : 1517 7 Weiser E S, StClair TL, Echigo Y et al . Aromatic poly2 imide foam. USP 6133330, 2000 - 10 - 17: 5 8 W illia
16、msM K,HollandD B,MelendezO et al . Aromatic polyimide foams: factors that lead to high fire performance. Polym. Degrad. Stab. , 2005; 88: 2027 9 W illiamsM K,Weiser E S, Fes mire J E et al . Effects of cell structure and density on the properties of high perfor mance polyimide foams . Polym. Adv . Technol . , 2005; 16: 167174 10 High2perfor mance TEEK polyi mide insulation foam technolo
