復(fù)合材料的構(gòu)型化設(shè)計(jì)及在航空方面的應(yīng)用

蘇曉瞳 遼陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1 航空用復(fù)合材料

在現(xiàn)代材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷程中，航空材料一直扮演著先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用。航空材料反映結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的前沿，代表了一個(gè)國家結(jié)構(gòu)材料技術(shù)的最高水平。先進(jìn)復(fù)合材料是指用纖維、織物、晶須及顆粒等增強(qiáng)基體材料所制成的高級材料。按基體材料的不同，先進(jìn)復(fù)合材料可分為樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料;按功能又可分為導(dǎo)電復(fù)合材料、導(dǎo)磁復(fù)合材料、阻尼復(fù)合材料、屏蔽復(fù)合材料等。航空上應(yīng)用較廣的先進(jìn)復(fù)合材料主要有以下幾種:樹脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和碳/碳復(fù)合材料、功能復(fù)合材料等。

1.1 樹脂基復(fù)合材料

樹脂基復(fù)合材料是以纖維為增強(qiáng)劑、以樹脂為基體的復(fù)合材料，所用的纖維有碳纖維、芳綸纖維、超高模量聚乙烯纖維等，所采用的基體主要有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等有機(jī)材料。與傳統(tǒng)的鋼、鋁合金結(jié)構(gòu)材料相比，樹脂基復(fù)合材料的密度約為鋼的1/5，鋁合金的1/2，且比強(qiáng)度與比模量明顯高于后二者(見表1)。這類材料既可制作結(jié)構(gòu)件，又可用于功能件及結(jié)構(gòu)功能件。國際上航空先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的主要性能要求是較高的耐溫度使用性、盡可能高的抗損傷容限和盡可能低的濕熱環(huán)境效應(yīng)。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)具有比重小、比強(qiáng)度高、耐高溫、減振性好、耐疲勞性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，是目前民用飛機(jī)上用量最大，也是航空航天等尖端科技領(lǐng)域發(fā)展較為成熟的先進(jìn)復(fù)合材料。近年的趨勢是發(fā)展液態(tài)成型紡織復(fù)合材料和非熱壓罐型技術(shù)如電子束輻照交聯(lián)技術(shù)等，即低成本制造技術(shù)。為進(jìn)一步迎接先進(jìn)復(fù)合材料更高性價(jià)比的挑戰(zhàn)，歐洲空中客車公司提出更多地應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料以減重30%，從而降低飛行成本40%的目標(biāo)[5]。

芳綸纖維復(fù)合材料(AFRP)拉伸強(qiáng)度高，彈性模量高，比重小，熱穩(wěn)定性高，有良好的耐介質(zhì)性能，作為復(fù)合裝甲材料有較強(qiáng)的防護(hù)性。國外近年對該種裝甲材料用于軍民用飛機(jī)的興趣日益高漲?！肮庾V屏蔽”材料是一種由光譜纖維及芳綸纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。光譜纖維是一種高強(qiáng)度、高模量的聚乙烯纖維，比強(qiáng)度為鋼的十倍，比重0.97。其關(guān)鍵性能指標(biāo)-抗沖擊性能相當(dāng)出色。光譜纖維制成的編織物能迅速消散發(fā)射中產(chǎn)生的能量。它已列入美國海岸警衛(wèi)隊(duì)更綜合化、更輕質(zhì)的飛機(jī)裝甲系統(tǒng)材料，另外也用于一系列固定翼及旋翼機(jī)，如美國陸軍“黑鷹”的地板及座椅裝甲、AC-130的地板、座椅及加固的座艙門，以及“科曼奇”(該項(xiàng)目被取消之前)[6]。大型直升機(jī)使用這種裝甲材料也被國外看好?？湛凸緦υ贏400M軍用運(yùn)輸機(jī)上使用它很感興趣。波音也正在評估將這種新型高強(qiáng)度材料用于B-7E7座艙門、副翼、座椅及機(jī)翼制造的可能性。

1.2 金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料主要是隨航空航天工業(yè)上高強(qiáng)度、低密度的要求而出現(xiàn)的。廣泛研究和應(yīng)用的材料有Al、Mg等輕金屬為基體的復(fù)合材料，80年代得到迅速發(fā)展。研究重點(diǎn)集中在碳化硅或氧化鋁粒子、短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。這類材料具有優(yōu)良的橫向性能、低消耗和優(yōu)良的可加工性，與未強(qiáng)化合金相比，性能也有大幅度地提高。所有這些因素使這類材料已成為許多應(yīng)用領(lǐng)域中最具商業(yè)吸引力的材料。金屬基復(fù)合材料在航空和宇航方面的應(yīng)用主要用于替代有毒的鈹。金屬基復(fù)合材料在國外已實(shí)現(xiàn)了商品化，而在我國僅有少量批量生產(chǎn)，以汽車零件、機(jī)械零件為主，主要是耐磨復(fù)合材料如顆粒增強(qiáng)鋁基、鋅基復(fù)合材料、短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料等，年產(chǎn)量僅5000t左右，與國外差距較大。

1.3 陶瓷基和碳/碳復(fù)合材料

陶瓷基和碳/碳復(fù)合材料屬于耐熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。陶瓷基復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度高，斷裂韌性高，比重小，抗氧化，耐高溫，熱膨脹系數(shù)較小，工作溫度在1250～1650℃。碳/碳復(fù)合材料的耐熱也很好，能在1650℃以上的高溫使用。這兩種材料都可用作高溫發(fā)動(dòng)機(jī)的部件。陶瓷基復(fù)合材料的潛在應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括宇航、國防、能源、汽車工業(yè)、環(huán)保、生物、化學(xué)工業(yè)等，在未來的國際競爭中將起關(guān)鍵的作用。發(fā)達(dá)國家投入巨資進(jìn)行研究，美國和西歐各國側(cè)重于航空和軍事應(yīng)用，日本則力求把它應(yīng)用在工業(yè)上。1987年美國能源部開始實(shí)施陶瓷基復(fù)合材料的研發(fā)計(jì)劃，國防部和宇航局(NASA)等單位也投入大量人力和經(jīng)費(fèi)。僅1992年美國投入陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用研究的經(jīng)費(fèi)高達(dá)3500萬美元。近年來美國國防部一直把這項(xiàng)技術(shù)列入重點(diǎn)投資項(xiàng)目。據(jù)悉，SiCf/SiC已得到較成功的應(yīng)用。NASA開展陶瓷燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)(AGT)研究課題，研制的葉片、燃燒室渦形管等構(gòu)件已通過熱試驗(yàn)[7]。法國SEP公司用陶瓷基復(fù)合材料制成的SCDSEP火箭試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)已通過點(diǎn)火試車，由于使用了陶瓷基復(fù)合材料使結(jié)構(gòu)減輕了50%[8]。國內(nèi)從20世紀(jì)90年代初開始進(jìn)行包括工藝、組成、顯微結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和熱處理等方面的研究，目前尚未有批量生產(chǎn)的報(bào)道。

1.4 功能復(fù)合材料

功能復(fù)合材料是指具有光、電、聲、熱、磁特性的材料，按不同的應(yīng)用進(jìn)行組合匹配得到不僅保持原有特性，還能產(chǎn)生一些新特性或比原來更具優(yōu)越特性的材料。例如，通過向高孔率壓電陶瓷中灌注有機(jī)聚合物制作的壓電材料，可有效地提高探測器的靈敏度，增大探測距離。正在研究的新型功能復(fù)合材料還有柔性薄膜紅外熱釋電復(fù)合材料、折射率和反射率可變的復(fù)合材料、熱濕敏復(fù)合材料、磁性復(fù)合材料、屏蔽復(fù)合材料和導(dǎo)電復(fù)合材料。

目前最顯著的先進(jìn)航空材料還包括鋁合金-玻璃纖維混雜復(fù)合材料(GLARE)，玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)以及韌性環(huán)氧樹脂、雙馬來酚亞胺樹脂和聚酚亞胺樹脂基復(fù)合材料等。上述復(fù)合材料覆蓋了航空飛行器機(jī)體的主要面積。就高溫要求而言，雙馬來酚亞胺、特別是可以液態(tài)成型的聚酚亞胺樹脂基復(fù)合材料(如PETI系列)的前景看好。

2 鋁基復(fù)合材料的構(gòu)型化設(shè)計(jì)

一般來說，在鋁基復(fù)合材料的制備過程中往往要盡可能地追求增強(qiáng)體在基體中的均勻分散，以避免增強(qiáng)體聚集造成的材料缺陷、應(yīng)力集中等現(xiàn)象對材料性能造成的損害。然而，對于大部分復(fù)合材料體系而言，增強(qiáng)體均勻分散并不是最優(yōu)化的構(gòu)型。相反，合理地控制復(fù)合材料各組分的空間分布，調(diào)控材料結(jié)構(gòu)在空間上的不均勻性，更有機(jī)會(huì)使其整體性能最大化。這種空間分布在尺度上既不同于材料構(gòu)件的宏觀結(jié)構(gòu)，也不同于復(fù)合材料中的位錯(cuò)、晶界、界面等微觀結(jié)構(gòu)，而是在中間尺度上對材料結(jié)構(gòu)的一種構(gòu)筑，因而被稱為材料的“構(gòu)型”

近年來，人們逐漸重視鋁基復(fù)合材料中構(gòu)型的作用，設(shè)計(jì)出了一系列具有殊構(gòu)型的復(fù)合材料，希望通過結(jié)構(gòu)效應(yīng)對材料性能進(jìn)行調(diào)控。目前在鋁基復(fù)合材料中已經(jīng)報(bào)道的構(gòu)型包括島狀，雙峰、多峰分布，層狀，多芯，網(wǎng)絡(luò)等多種復(fù)合構(gòu)型。但總體說來，目前尚沒有一種成熟、普遍的原則來指導(dǎo)不同鋁基復(fù)合材料的構(gòu)型設(shè)計(jì)，需要針對材料體系和性能目標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)和研究?？紤]到實(shí)際材料性能調(diào)控效果和制備上的易行性，在諸多構(gòu)型中，雙峰、多峰分布，層狀和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型具有較高的實(shí)用性和發(fā)展?jié)摿?，因此受到了研究者們的廣泛關(guān)注。

[1]Moon BK，Ishiwara H，Tolumitsu E，etal. Thin Solid Films，2001，385：307

[2]Wilk G D，Wallaee RM. Appl Phys Lett，2000，76(1)：112