航天制造中高性能非金屬復(fù)合材料的應(yīng)用分析

周 賀 ，陳 智 ，畢 軒 ，孫 晶 ，欒 超 ，陳東凱

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100000）

0 引言

在材料領(lǐng)域，航天使用的材料代表著國內(nèi)最優(yōu)質(zhì)性能的材料以及理論技術(shù)，引領(lǐng)著時(shí)代的潮流。20世紀(jì)70年代，中國航天工業(yè)開始蓬勃發(fā)展，尤其是到了20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)，各項(xiàng)航天技術(shù)壁壘不斷被突破，航天制造工業(yè)又邁上了新的臺(tái)階。新型材料、更加復(fù)雜的航天器外形、更為惡劣的產(chǎn)品工況、更輕的重量、越來越高的強(qiáng)度要求，這些新的要求使得對(duì)航天產(chǎn)品的主體材料的要求也越來越高。

復(fù)合材料是一種由兩種或者兩種以上化學(xué)和物理性質(zhì)不同的材料組分，以預(yù)先設(shè)計(jì)的比例、形式、分布組合而成的一種人工合成材料。復(fù)合材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，有著更高的比強(qiáng)度，更高的比模量，更好的耐疲勞性以及優(yōu)質(zhì)的減震性。復(fù)合材料通過合理的設(shè)計(jì)以及適當(dāng)?shù)墓に囍圃炜梢杂行У卦黾雍教炱鞯妮d荷并降低其質(zhì)量，在航天器制造領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

以基體材料的不同進(jìn)行分類，復(fù)合材料可分為金屬復(fù)合材料和非金屬復(fù)合材料。其中非金屬復(fù)合材料又可細(xì)分為合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨等不同的種類。在航天制造領(lǐng)域中，以合成樹脂、陶瓷作為基體的復(fù)合材料使用非常廣泛，有著很大的研究價(jià)值。

1 樹脂基復(fù)合材料

合成樹脂基復(fù)合材料是以有機(jī)聚合物作為基體進(jìn)行加工制造的纖維增強(qiáng)材料。世界公認(rèn)的三大高性能纖維材料均為樹脂基復(fù)合材料，分別為碳纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維。此外，國內(nèi)也針對(duì)樹脂基高性能纖維材料進(jìn)行了大量的研究，制造出了玄武巖纖維、聚苯硫醚纖維、聚酰亞胺纖維、聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑纖維、聚四氟乙烯纖維和高性能玻璃纖維等，極大地拓展了高性能纖維在國內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展。樹脂基復(fù)合材料在航空航天、汽車制造、海洋工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1.1 碳纖維

作為一種新型復(fù)合材料，碳纖維材料的含碳量在95%以上，不僅擁有碳材料的耐高溫性、抗腐蝕性、耐疲勞性、抗蠕變性以及高強(qiáng)度、低密度、大模量等基體材料的固有特性，還具有柔軟的可加工性[1]。碳纖維主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 碳纖維主要性能指標(biāo)

在碳纖維的發(fā)展過程中，強(qiáng)度與彈性模量的兼顧成為該材料的研究難點(diǎn)之一。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳纖維加工制造設(shè)備不斷地進(jìn)行研究與試驗(yàn)，生產(chǎn)出塔姆式電阻爐[2]、感應(yīng)爐[3]、射頻爐[4]、等離子爐[5]等。其中已形成規(guī)?；c產(chǎn)業(yè)化的塔姆式電阻爐與射頻爐已成為國內(nèi)外普遍使用的碳纖維石墨化設(shè)備。以具體的碳纖維材料為例，國內(nèi)的高性能碳纖維產(chǎn)品逐漸由T700發(fā)展到了T1000甚至T1100，而T1000碳纖維材料已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)[6-11]。相比于國外的T1000碳纖維，國產(chǎn)的T1000碳纖維的原絲與復(fù)絲力學(xué)性能、表面性能、單向板及NOL環(huán)力學(xué)性能承壓能力均略低，但各項(xiàng)性能參數(shù)相差不大[12]。國內(nèi)的碳纖維材料的技術(shù)與國外仍舊有一定的差距，但是差距在不斷縮小，在今后的發(fā)展中依舊有著廣闊的發(fā)展前景。

1.2 芳綸纖維

芳綸纖維是芳香族聚酰胺纖維的簡稱，是由芳香基團(tuán)和酰胺基團(tuán)連接而組成的線性聚合物。根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類可分為對(duì)位芳綸（PPTA）、間位芳綸（PMIA）、鄰位芳綸。

芳綸纖維密度約為1.44 g/cm3，與碳纖維、玻璃纖維相比分別低20%和40%左右，質(zhì)量約為鋼絲的五分之一，但是強(qiáng)度卻為鋼絲的6～7倍。此外，芳綸纖維有著較低的線膨脹系數(shù)、優(yōu)異的沖擊強(qiáng)度、較高的比彈性模量。耐高溫、耐低溫、抗蠕變性能強(qiáng)、抗腐蝕性能強(qiáng)也是芳綸纖維材料顯著的優(yōu)點(diǎn)。但是抗壓縮強(qiáng)度不高、剪切強(qiáng)度較低、耐磨性較差以及受紫外線和可見光影響較大等缺點(diǎn)也使得芳綸纖維材料在使用時(shí)具有一定的局限性[13]。

由于優(yōu)良的物理與化學(xué)性能，芳綸纖維在航天航空、建筑材料、電氣電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在航天方面使用該復(fù)合材料后可在保證強(qiáng)度性能的前提下，大大減輕整體重量。

1.3 超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維又名超高模聚乙烯纖維或伸長鏈聚乙烯纖維[14]。該材料有著良好的機(jī)械性能，具有耐紫外線輻射、耐化學(xué)腐蝕、密度低、強(qiáng)度高、抗剪模量高等優(yōu)點(diǎn)，在航天航空結(jié)構(gòu)件、船舶制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

20世紀(jì)初，英國利茲大學(xué)的Capaccio和Ward研制出超高分子量聚乙烯纖維，這是超高分子量聚乙烯纖維在世界上首次亮相。之后，美國聯(lián)合信號(hào)公司于1988年將超高分子量聚乙烯纖維進(jìn)行了商業(yè)化。國內(nèi)學(xué)者經(jīng)過多年的研究，在1999年申請(qǐng)了混合溶劑凝膠新加工工藝的專利，并于2000年在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，其產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)齊平世界水準(zhǔn)。寧波大成研究人員也進(jìn)行了超高分子量聚乙烯纖維的生產(chǎn)工藝改進(jìn)，開創(chuàng)性地提出了雙螺桿擠壓均化技術(shù)、凍膠化處理和溶劑萃取技術(shù)以及多輥多組超倍牽伸技術(shù)，使得生產(chǎn)出的超高分子量聚乙烯纖維有著更好的性能[15]。

在航天制造領(lǐng)域，超高分子量聚乙烯纖維可在各類有需要的零件、設(shè)備中進(jìn)行材料添加，作為加固補(bǔ)強(qiáng)的材料。添加該材料，可使得零件擁有更加優(yōu)異的材料性能，并大大減輕重量，因此使用的范圍十分廣泛。

2 陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料是基于陶瓷材料發(fā)展而來的一種復(fù)合材料，其材料基體為陶瓷，并在陶瓷內(nèi)部添加其他材料，使得整個(gè)復(fù)合材料兼具陶瓷與其他復(fù)合材料的特性[16]。根據(jù)陶瓷基復(fù)合材料自身晶體的組成方式、母基的大小差異可分為晶內(nèi)型、晶間型、晶內(nèi)-晶間混雜型和納米-納米型，具體結(jié)構(gòu)如圖1至圖4所示。

圖1 晶內(nèi)型

圖2 晶間型

圖3 晶內(nèi)-晶間混雜型

圖4 納米-納米型

陶瓷基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都十分顯著，作為剛性材料，陶瓷基復(fù)合材料有極好的耐高溫性、耐磨性、耐腐蝕性、抗腐蝕性，以及很強(qiáng)的硬度和很輕的質(zhì)量，這些優(yōu)點(diǎn)正是航天制造領(lǐng)域十分需要的。導(dǎo)彈的頭錐、火箭的噴管、航天飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件等航天領(lǐng)域的關(guān)鍵部件使用的便是陶瓷基復(fù)合材料。但是也因其硬度很高導(dǎo)致陶瓷基復(fù)合材料的脆性很大，并且對(duì)裂紋、氣孔以及材料中的雜質(zhì)等問題十分敏感[17]。

在目前研究階段，陶瓷基復(fù)合材料受限于韌性差的缺點(diǎn)，使用的范圍受到了很大的限制。但是由于其有著十分顯著的優(yōu)點(diǎn)，陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用前景十分寬廣。因此，關(guān)于陶瓷基復(fù)合材料，各學(xué)者與研究人員開始針對(duì)增強(qiáng)韌性以及致密化等方向進(jìn)行陶瓷基材料的優(yōu)化。

現(xiàn)階段，針對(duì)陶瓷的增韌技術(shù)有以下幾種方法。

1）陶瓷自增韌技術(shù)[18]。自增韌技術(shù)是一種能夠顯著提高陶瓷斷裂韌性的技術(shù)，通過控制不同的工藝參數(shù)來改變陶瓷晶粒的形貌，進(jìn)而提高陶瓷增韌效果，是一種新興的技術(shù)。Tani等通過陶瓷自增韌技術(shù)制備的Y-Al系Si3N4陶瓷基復(fù)合材料可使原材料抗彎強(qiáng)度增加到550 MPa～900 MPa，斷裂韌度可增強(qiáng)到8 MPa～11 MPa。Luo等使用熱壓法制備了Y-La系Si3N4陶瓷基復(fù)合材料，使其室溫下的抗壓強(qiáng)度達(dá)到860 MPa～960 MPa，韌性增加到8.4 MPa～11.72 MPa。

2）晶粒和顆粒增韌技術(shù)[19-20]。近年來，晶粒和顆粒增韌技術(shù)是一個(gè)主要研究方向，通過改善顆粒的分布狀態(tài)，使其適用于陶瓷基體復(fù)合材料，使材料的力學(xué)性能得到改善。添加至陶瓷基復(fù)合材料中顆粒材料的數(shù)量、密度、分布均勻度以及顆粒的直徑都會(huì)對(duì)整體材料有著不同的影響，因此復(fù)合加工的工藝參數(shù)是一個(gè)很重要的研究方向。

日本的新原誥一等對(duì)納米顆粒復(fù)合相陶瓷進(jìn)行研究，將該方向的研究成為國際范圍內(nèi)的一股熱潮。該團(tuán)隊(duì)將5%的0.3 μm的SiC顆粒加入氧化鋁陶瓷中，使該陶瓷復(fù)合材料的強(qiáng)度達(dá)到了1 GPa，并在常溫和1 000 ℃高溫情況下均可保證較高的強(qiáng)度值，同時(shí)該材料的斷裂韌性也提高至原來的145%。Wakai等在Si3N4中加入了20%的SiC顆粒，使陶瓷基復(fù)合材料的韌性在高溫情況下達(dá)到了普通陶瓷材料的1.5倍。

晶須與顆粒的添加對(duì)陶瓷材料都有著增強(qiáng)韌性的效果，其中添加晶須進(jìn)行增韌效果好，但是晶須含量高時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料致密度下降；顆粒增韌可以避免這一缺陷但是增韌效果較差。兩種方式進(jìn)行融合是一種新的增韌技術(shù)發(fā)展方向。

3）ZrO2相變?cè)鲰g技術(shù)。ZrO2相變?cè)鲰g技術(shù)是相變?cè)鲰g技術(shù)的一種，針對(duì)陶瓷復(fù)合材料的增韌效果非常好。ZrO2在由四方相轉(zhuǎn)為單斜相時(shí)，具有馬氏體相變的特征，并有3%～5%的體積膨脹，對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的韌性與強(qiáng)度有著很大的影響。通過在陶瓷材料中加入一些穩(wěn)定劑可以防止陶瓷在制備冷卻過程中出現(xiàn)因相變而導(dǎo)致的開裂現(xiàn)象，進(jìn)而制備具有高韌度的陶瓷基復(fù)合材料。

3 小結(jié)

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，各種新式的高強(qiáng)度復(fù)合材料性能逐漸增強(qiáng)，缺陷逐漸被彌補(bǔ)，在航天制造領(lǐng)域的使用越來越廣泛。然而現(xiàn)階段復(fù)合材料技術(shù)依舊有著很大的發(fā)展空間，各種材料依舊有著很大的局限性，需要根據(jù)不同的工況來進(jìn)行選擇，并使用不同的工藝方法來進(jìn)行加工制造。由于優(yōu)異的理化性能，高性能非金屬復(fù)合材料有著很廣闊的發(fā)展前景，在后續(xù)的發(fā)展中將會(huì)是一個(gè)很重要的研究領(lǐng)域和研究方向。