航空航天復合材料綠色化發(fā)展探析

魏小敏

摘要：復合材料的研發(fā)和應用是人類航空航天事業(yè)發(fā)展與進步的基礎和導向，尤其是進入21世紀以后，在全球工業(yè)化高速發(fā)展的推動下，復合材料的設計和生產制造等領域都獲得了良好的發(fā)展，給人類的生活和生產活動等帶來了很大的變化。航空航天復合材料的綠色化發(fā)展，將航空航天材料的設計和制造推向了全新的高度，是符合社會發(fā)展和技術革新的先進理念，未來的發(fā)展前景良好。

關鍵詞：航空航天;復合材料;綠色化

1復合材料在航空航天領域中的優(yōu)勢

伴隨航空航天技術的不斷發(fā)展，航空結構原材料的來源開始了新的選擇，經過多種材料的運用比較，復合材料逐漸走進航空航天的研究領域，逐漸被全面運用。復合材料在飛機結構上的運用，有效減輕了飛機本身的重量，減少了結構的復雜性，使目前的航空航天技術更便捷地從理論變現到實踐中。復合材料以更加優(yōu)越的綜合性能逐漸取代傳統(tǒng)結構材料在航空航天領域中的地位，成為目前航空結構應用最廣泛的材料，并且復合材料巨大的用量使其開始成為影響航空航天事業(yè)的一個重要因素。復合材料在航空結構上的用量目前接近20%左右，隨著時代的發(fā)展和航空航天技術的不斷更新，航空結構對復合材料的需求量持續(xù)擴大。在航天器的研發(fā)領域，復合材料逐漸被廣泛運用于航天器的制造、巡航導彈的部件制造等方面。

2復合材料在航空航天領域中的應用

2.1陶瓷基復合材料和碳復合材料。陶瓷基復合材料抗彎強度高、耐熱性強、比重小，能夠承受較高的熱浪沖擊。實際運用中，為了增強陶瓷復合基的韌性，保證復合基的使用質量，會在陶瓷復合基形成過程中加入一定量的纖維素，使陶瓷復合基具有一定的柔韌度，增強陶瓷復合基的使用性能。碳復合材料的耐熱性也比較好，兩者作為耐熱性的復合材料被研制成功，彌補了航空航天領域關于耐熱結構材料所欠缺的空白，成為未來軍事工業(yè)發(fā)展的重要基礎材料之一。陶瓷復合材料和碳復合材料主要被用于制作飛機燃氣渦輪發(fā)動機噴嘴閥，因為其耐高溫的特性，是高溫發(fā)動機部件的不二之選。如在航空發(fā)動機的生產過程中，將陶瓷基復合材料運用于發(fā)動機的空氣流動通道中，可以減少發(fā)動機的冷卻過程甚至直接消除，從而大大降低渦輪扇發(fā)動機的重量，飛機發(fā)動機的效率也能夠提升到新的層次。相應地，發(fā)動機性能、耐磨損能力、持久能力以及燃油經濟性也能夠得到很大改善。

2.2金屬基復合材料。金屬基復合材料相比于其他的基體材料，具有低消耗、高收益以及優(yōu)良的后續(xù)開發(fā)性和改造型的優(yōu)勢，相比于人為強化的合金材料，具有更加強勁的性能，成為許多應用領域中的熱門之選。由于金屬基復合材料在我國的研發(fā)起步較晚，目前在航空航天領域并沒有大面積投入使用。在未來的航空航天發(fā)展領域中，無人機的研發(fā)和材料選擇是一個至關重要的發(fā)展方向。無人機的主流趨勢是保證飛行機器飛行高度更高、時間更長、隱身效果更好，而要想提高無人機的效能、減少投入成本，復合材料的使用是一大關鍵要素。金屬基材料在運用過程中展現出較多的性能特性，對于一般的金屬材料具有更高的抗壓性、抗高溫性以及導電性，可以作為飛機上眾多的零部件構成材料。如將金屬基復合材料運用在無人機的機翼位置，相對于傳統(tǒng)的鋁合金結構，整體重量能夠減輕60%左右。利用復合材料，研究人員還能夠實現傳統(tǒng)金屬材料所難以企及的空氣動力學設計，使無人機的研究向前跨一大步。

3航空航天復合材料綠色化發(fā)展技術

3.1復合材料開發(fā)技術。航空航天復合材料綠色化發(fā)展，從高性能的復合材料綠色化開發(fā)技術方向來看，主要有可回收的熱塑性樹脂復合材料、可降解的熱固性樹脂復合材料兩種。航空航天應用到的高性能復合材料需要著重解決的問題是熱固性樹脂材料無法回收和降解。在此背景下，從20世紀90年代開始，世界各國就相繼開發(fā)了一系列的高性能熱塑性樹脂復合材料，例如聚苯硫醚系列、聚醚酮系列等。此類可降解熱塑性樹脂復合材料在綜合力學性能、耐腐蝕性以及韌性等方面都有了很大的提升，并且在開發(fā)技術和制造工藝上具備了二次以及多次成型的特點，還可以進行有效的回收和再利用，被廣泛應用在航空航天器的主承力結構上。航空航天熱固性樹脂復合材料主要指的是環(huán)氧樹脂，該材料具有耐熱性好、固化尺寸穩(wěn)定、耐腐蝕以及粘結強度高等優(yōu)點，是近年來使用最為頻繁的復合材料之一，比較適合用于民用飛機復合材料結構的制造。

3.2復合材料制備技術。航空航天復合材料的制備需要使用到碳纖維，以此提高復合材料的性能強度，同時還可以減輕復合材料的質量。碳纖維的生產和應用是航空航天復合材料制備技術中的重點，是一項高投入、高能耗以及高污染的產業(yè)，對復合材料的制備技術也有很高的要求。為了更好地利用碳纖維，并降低其生產成本，需要從開發(fā)新型碳纖維前驅體、開發(fā)低成本制備工藝、開發(fā)大絲束品種以及開發(fā)各種新制備技術等方面入手，全面應對復合材料制備技術的應用困難。其中，木質素制備碳纖維技術可以從乙醇生產副產品中提取出α-纖維素，在經過熔紡和碳化以后可以制備成低成本的碳纖維，也可以在杉樹等針葉林木中提出纖維素制備成木質碳纖維，這類低成本碳纖維的抗拉強度與石化原料制備而成的碳纖維基本一致，制備成本也相差不大，有效解決了石化資源短缺的問題，但是形成產業(yè)化還需要一定的時間。復合材料制備技術的開發(fā)在未來的幾十年里必將獲得成功，碳纖維絲束的品種會越來越多，可以滿足不同設計要求的使用，制備工藝也會得到優(yōu)化和創(chuàng)新，新技術也會層出不窮，會進一步提高復合材料制備的效率，同時降低能耗和資源的浪費，推動航空航天復合材料綠色化的發(fā)展。

3.3回收再利用技術。航空航天復合材料中使用到的碳纖維是一種制備成本高昂的產品，據估算，每制備1t的碳纖維需要花費81345元，而且碳纖維在使用后無法被降解，退役或者損壞后只能通過掩埋或者焚燒的方式進行處理，資源浪費情況嚴重，而且造成一定的環(huán)境污染，因此航空航天復合材料的回收再利用技術研發(fā)和應用就顯得十分有必要，在經過數年的研究和實驗后，目前已經取得了一定的進展，也得到了有效的應用。對熱塑性樹脂復合材料，使用熔融再生法可以實現對復合材料的回收再利用，復合材料在經過清洗、重熔、注模壓縮后可以制造成新的復合材料，重新投入使用。另外，還可以通過在熱塑性樹脂材料中添加溶劑將其溶解，通過沉淀分離出聚合物和纖維，再經過過濾提取出其中的纖維材料，進行二次使用。針對熱固性復合材料則可以使用物理法、熱解法以及超臨界流體法等將復合材料分解、壓碎，從中獲得干凈的碳纖維，并且可以保留其原始的性能，不影響再次使用。復合材料的回收再利用技術依然處在探索和發(fā)展的階段，相信在不久的將來會得到更大的進步，進一步提高碳纖維的回收率和利用率，促進航空航天復合材料綠色化的發(fā)展。

結束語

航空航天復合材料綠色化發(fā)展是必然趨勢，是實現資源高效利用、環(huán)境保護以及航空航天事業(yè)發(fā)展的前提，需要從材料設計、制備工藝與技術、材料開發(fā)以及回收再利用技術等方面入手，全面提高航空航天復合材料綠色化技術水平，以此帶動航空航天復合材料的不斷發(fā)展與突破，爭取早日形成產業(yè)化生產模式，進一步提高我國航空航天事業(yè)的發(fā)展高度。

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