高分子復(fù)合材料在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

仝安乾，王慶磊，康海剛

（1南京航空航天大學(xué) 江蘇 南京 210000）

（2成都國營錦江機器廠 四川 成都 610000）

0 引言

近年來，航空工業(yè)的發(fā)展趨勢是向高技術(shù)、高性能方向發(fā)展。高分子復(fù)合材料經(jīng)過幾年的發(fā)展，已經(jīng)可以替代或部分替代傳統(tǒng)金屬與鋁合金，其加工方法包括：熱壓、焊接、旋切、熱成型、熱壓等。應(yīng)用前景廣闊，特別是在精密工程領(lǐng)域。高分子復(fù)合材料由于性能優(yōu)良、經(jīng)濟實惠、耐蝕、絕緣、耐化學(xué)腐蝕、抗疲勞強度高等優(yōu)異性能已被廣泛使用，特別是在飛機發(fā)動機渦輪風(fēng)扇葉片、飛機機翼等部位。本文將從高分子復(fù)合材料的概念、特點和在航空航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用來闡述。

1 高分子復(fù)合材料的概念

高分子復(fù)合材料是指由多個相互聯(lián)系的高分子單元（如聚合物、半纖維素、低聚糖、聚合物基、聚碳酸酯、聚氨酯、尼龍、聚醚多元醇、熱塑性樹脂等）以共聚聚合反應(yīng)為基本單元（其中共聚反應(yīng)是高分子復(fù)合材料構(gòu)成的重要特征）制備而成的一類新型材料[1]。復(fù)合材料按其組成分為金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與非金屬復(fù)合材料。高分子復(fù)合材料的分類及其應(yīng)用技術(shù)是目前國際上主要的研究方向之一，它在增強、改性、防腐、耐熱等方面有著廣泛意義和巨大用途[2]。

2 高分子復(fù)合材料特點及屬性

2.1 增強性

高分子復(fù)合材料是具有高強度、高模量、高耐熱等特性的材料，是許多發(fā)達國家主要應(yīng)用的復(fù)合材料品種之一。其中，高強度增強材料應(yīng)用最廣泛，主要包括金屬纖維增強等。纖維增強方法包括表面處理法、分子束凝聚法等。無機材料的強度取決于其相變后物質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及它們與基體之間的結(jié)合強度。結(jié)構(gòu)越牢固、致密的復(fù)合材料，其材料的物理性質(zhì)越穩(wěn)定，材料的強度也就越高，這在機械加工過程中是一個重要指標(biāo)。例如，一種樹脂材料必須是完全剛性的（含鍵結(jié)），并且其分子鏈中無任何分子級配鍵結(jié)點，才能被拉伸而不破裂；而另一種樹脂則必須是柔性、剛性、不會破裂的；而當(dāng)樹脂中含有一些共聚物時（如聚酰胺基共聚物等），其分子鏈中的某些部位可以結(jié)合成分子鏈?zhǔn)紽PC，這些部位就會被拉伸而不破裂。正是由于這兩種屬性決定了合成樹脂材料不一定能得到高強度、高硬度、耐磨性好、韌性高和良好絕緣性等優(yōu)良特性。因此，合成樹脂材料必須是具有較高強度、延伸率和良好性能的物質(zhì)復(fù)合體。研究人員可以根據(jù)具體情況，采取不同方法制備高分子聚合物復(fù)合材料，并對其進行加工，以獲得優(yōu)良的性能。

2.2 防腐性

隨著材料耐腐蝕性能的不斷提高，越來越多的高分子復(fù)合材料被用于防腐領(lǐng)域。以聚碳酸酯為例，聚合物材料的耐腐蝕性能越好，其應(yīng)用范圍也越廣。特別是聚碳酸酯復(fù)合材料被認為是繼金屬和塑料之后另一個應(yīng)用范圍最廣、應(yīng)用量最大的高分子材料。為了提高材料的耐腐蝕性能，可以采用熱固性材料來制成有機高分子材料，如環(huán)氧煤瀝青或煤焦油瀝青；還可以通過對這些材料進行改性，從而使其具有耐酸堿性；改性過程中，可以引入催化劑、金屬催化劑來提高材料耐腐蝕性能。

2.3 耐熱性

耐熱性，主要指在高溫下能承受的溫度變化能力。高分子復(fù)合材料耐熱性能的好壞直接影響材料本身的性能，決定材料使用壽命。常用的耐熱材料有陶瓷基復(fù)合材料、橡膠基復(fù)合材料以及硅橡膠、氟橡膠等高分子復(fù)合材料。耐熱復(fù)合材料一般不耐高溫?zé)崤蛎浐蜔釠_擊。當(dāng)加熱到規(guī)定的溫度時，材料會產(chǎn)生熱脹或收縮。這就是FPC所具有的耐熱性能和高溫穩(wěn)定性。由于復(fù)合材料具有很高的熱固性和低溫性能，因此，對復(fù)合材料進行適當(dāng)增強可以獲得良好的熱穩(wěn)定性或熱變形溫度。目前，大部分復(fù)合材料，尤其是以聚碳酸酯材料為主的復(fù)合材料，熱縮性和熱應(yīng)力都很小。但這類材料也有一個缺點：在工作溫度下需要承受較大的變形。高溫是FPC材料最突出的特性之一，一般情況下，溫度越高效果越好，比如高溫條件下進行黏接性能試驗就非常重要。另外，還需考慮其物理、化學(xué)性質(zhì)。因為如果不能對FPC的應(yīng)力進行適當(dāng)緩沖處理的話，在使用過程中會出現(xiàn)較大的裂縫或裂紋。

2.4 化學(xué)穩(wěn)定性

高分子復(fù)合材料在熱固性介質(zhì)中熔融或半熔融狀態(tài)時，存在著化學(xué)穩(wěn)定性，即膠體對其自身或環(huán)境反應(yīng)的穩(wěn)定性。這些變化是以共價鍵的強度和耐磨性為基礎(chǔ)的。高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性受膠體粒子數(shù)目和聚合物分子排列方向、固化劑配比、溫度、溶劑和交聯(lián)反應(yīng)等多種因素的影響。這些因素可能與產(chǎn)品性質(zhì)有關(guān)，也可能與生產(chǎn)工藝有關(guān)。因此，高分子材料作為一個整體，其化學(xué)穩(wěn)定性受多個因素影響，特別是交聯(lián)反應(yīng)。在常溫情況下，聚合物可以與多種物質(zhì)反應(yīng)；在合成狀態(tài)，則對多種物質(zhì)反應(yīng)不穩(wěn)定。通常交聯(lián)反應(yīng)的開始溫度在200～300 ℃之間；在交聯(lián)反應(yīng)后，再進一步加熱，使聚合物降解為穩(wěn)定原子，所需時間在幾分鐘到幾小時之間；在交聯(lián)反應(yīng)后，再繼續(xù)加熱，所需時間在幾小時之間。這些都與樹脂中所含物質(zhì)的性質(zhì)和配方有關(guān)，如聚丙烯腈溶液中存在著大量的氯離子和活性碳氫化合物，對聚合物的力學(xué)性能影響較大；如二元酸與二元胺類分子之間相互作用較強而又不穩(wěn)定。這些情況都與不同膠體成分和交聯(lián)方式有關(guān)。高分子材料在制備過程中，必須選用質(zhì)量優(yōu)、性質(zhì)穩(wěn)定、質(zhì)量小、耐化學(xué)試劑腐蝕能力強的樹脂來制備高分子復(fù)合材料。

2.5 力學(xué)性能與熱沖擊性能

復(fù)合材料的力學(xué)性能主要包括強度、剛度、硬度、耐磨性等，還包括耐熱性等，而材料本身質(zhì)量、厚度和形狀對強度和硬度等都有較大影響。同時，材料自身尺寸效應(yīng)也是重要因素之一。材料尺寸越大，其自身體積產(chǎn)生的變形量越大，其塑性、韌性也會隨之降低。因此，要求有一定的塑性變形能力并具有一定的抗壓強度、硬度、耐磨性及耐熱性的高分子材料則十分重要。另外，在樹脂溶液中加入適量的膠黏劑或增塑劑，也可以提高其力學(xué)性能和熱沖擊性能。高分子材料是典型的熱加工過程中無定型制品。

3 高分子復(fù)合材料在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

復(fù)合材料是指通過化學(xué)或物理方法將兩種以上不同性質(zhì)的材料按一定比例混合而成的新型建材、制品、系統(tǒng)及工藝過程。其作用在于：①提高構(gòu)件質(zhì)量；②減輕自重、簡化設(shè)計，減少裝配工序，縮短制造周期；③節(jié)省原材料，降低生產(chǎn)成本。它包括增強纖維、樹脂、金屬以及復(fù)合材料組成。

3.1 基于石墨烯開發(fā)的高分子復(fù)合材料在電磁屏蔽領(lǐng)域中的應(yīng)用

電磁干擾（electromagnetic interferences,EMI）是電場回路產(chǎn)生電磁輻射信號的總稱。當(dāng)前，由于千兆赫電力設(shè)備及電磁通信設(shè)備的大量使用，電磁污染已經(jīng)達到了前所未有的程度。傳統(tǒng)的電磁場防護方法已無法滿足日益增多的電子設(shè)備對電磁兼容性要求。因此，如何利用具有良好導(dǎo)電性能的材料來實現(xiàn)電磁屏蔽成為目前研究熱點之一。石墨烯因其優(yōu)異的導(dǎo)熱性、高比表面積和較高的介電常數(shù)而被廣泛應(yīng)用于電磁屏蔽領(lǐng)域。但是，石墨烯作為一種新型的導(dǎo)電材料，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為碳纖維的1/2，且具有一定的脆性。因此，石墨烯的熱膨脹系數(shù)與溫度密切相關(guān)，從而影響到熱導(dǎo)率。

3.2 基于石墨烯開發(fā)的高分子復(fù)合材料在航空器輕量化中的應(yīng)用

降低航空器質(zhì)量，實現(xiàn)航空器輕量化飛行，可以有效降低航空器燃料消耗，增加運量與航程，擴大航空器內(nèi)部空間，降低排放對環(huán)境的污染問題，是提升航空器競爭力不可或缺的途徑。本文以碳纖維為增強材料構(gòu)建了一種新型的高性能碳基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，并通過實驗驗證了該復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能和耐久性能，并且制備工藝簡單、生產(chǎn)成本低，能夠滿足當(dāng)前航空領(lǐng)域發(fā)展需求。主要研究內(nèi)容及成果如下：（1）采用掃描電鏡（SEM）分析碳纖維基體表面形貌以及微觀組織特征；（2）采用掃描電子顯微鏡（DSC）觀察碳纖維基體內(nèi)部裂紋擴展規(guī)律，探討其形成機理，提出了改進后的碳/芳綸復(fù)合纖維加固方法；（3）利用熱重試驗技術(shù)測試碳纖維復(fù)合材料熱變形性能，發(fā)現(xiàn)兩種不同材質(zhì)的碳纖維復(fù)合材料均表現(xiàn)出良好的抗高溫蠕變特性，且隨著溫度升高彈性模量逐漸減??；（4）針對現(xiàn)有加固方法存在的不足，設(shè)計了一種新的加固方式——熱疲勞法加固碳纖維復(fù)合材料；（5）對加固前后碳纖維復(fù)合材料進行拉伸強度和斷裂伸長率測試，結(jié)果表明加固前后復(fù)合材料抗拉強度都有一定程度提高，但應(yīng)力應(yīng)變曲線卻沒有明顯改變，說明碳纖維復(fù)合材料本身就具備抗拉韌性；（6）將加固后的碳纖維復(fù)合材料放置于室溫下反復(fù)加載10 min，結(jié)果顯示經(jīng)過加固后碳纖維復(fù)合材料抗壓強度比未加固前有所提高。

3.3 基于鈦基復(fù)合材料在增強飛機強度上的應(yīng)用

鈦基金屬復(fù)合材料是由鈦棒和鈦板構(gòu)成的航空復(fù)合材料。鈦合金的強度高、韌性好，其表面粗糙度低，適用范圍較寬，因此，鈦合金有著廣泛的應(yīng)用[3]。鈦基復(fù)合材料最早應(yīng)用于軍用戰(zhàn)斗機上，用于制造噴氣戰(zhàn)斗機用渦輪風(fēng)扇、螺旋槳、高溫發(fā)動機殼體等構(gòu)件。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鈦材具有良好的綜合性能，如重量輕、比表面積大、耐腐蝕、耐高溫、耐磨損等特點，因而成為航空航天領(lǐng)域中最有前途的材料之一。鈦基合金已廣泛應(yīng)用于航天事業(yè)和原子能工業(yè)。由于鈦基復(fù)合材料對環(huán)境要求嚴(yán)格，所以目前尚不能用于軍事方面。

3.4 基于碳纖維及其復(fù)合材料在飛機機身的應(yīng)用

碳纖維在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在國外，隨著世界經(jīng)濟一體化進程和科學(xué)技術(shù)水平提高，先進技術(shù)不斷向民用方向轉(zhuǎn)移，一些國家已經(jīng)把發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè)作為振興本國工業(yè)、促進國民經(jīng)濟持續(xù)快速健康發(fā)展的重要手段之一。因此，研究新材料將是各國科技工作者所關(guān)注的問題。碳纖維復(fù)合材料具有比強度高、模量大、彈性模量低、導(dǎo)熱系數(shù)小、抗疲勞性能好、耐腐蝕及耐高溫等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于航天飛機發(fā)動機中[4]。碳纖維以其優(yōu)越的綜合性能而成為高性能纖維的首選原料，目前主要有以下幾種類型：①碳素結(jié)構(gòu)鋼（Q345B）：是用熱固性碳制成的一種低合金鋼，具有高強度、高韌性和良好的機械性能。②芳綸（FDY）：它是一類新型工程塑料，由于其獨特的優(yōu)異性能，近年來受到人們越來越多的重視。③玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料（CFRP）：這種復(fù)合材料因具有輕質(zhì)高強、耐化學(xué)品腐蝕等特點，已逐漸取代傳統(tǒng)鋼材用于制造汽車輪箍、車架和各種結(jié)構(gòu)件。④熱塑性聚酯增強水泥混凝土：該產(chǎn)品屬非金屬材料，可以替代鋼鐵或鋁、銅等金屬進行制作。⑤聚四氟乙烯（PTFE）：這種聚合物不僅重量輕、密度低，而且還有許多優(yōu)良特性，如抗?jié)B透、耐油、耐磨等，因而被廣泛應(yīng)用于建筑裝飾工程中。⑥聚對苯二甲酸丁二醇酯（PET）：這是一種合成橡膠，可作建筑材料。

3.5 基于樹脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動機上的應(yīng)用

目前，我國航空發(fā)動機已經(jīng)進入到第三代戰(zhàn)斗機時代，其主要特點是：結(jié)構(gòu)尺寸不斷縮小；材料性能日益提高，如使用新型高溫合金代替現(xiàn)有的鋁鈦合金；工作環(huán)境更加惡劣；研制費用昂貴等。隨著高性能纖維增強工程塑料（CFRP）技術(shù)的飛速發(fā)展，復(fù)合材料已成為未來軍用航空發(fā)動機的重要組成部分。為了滿足上述要求，必須采用先進的成型工藝來生產(chǎn)高質(zhì)量的碳纖維預(yù)浸料，以降低原材料成本及加工難度。本文對碳纖維預(yù)浸復(fù)合層進行了研究，主要內(nèi)容如下：（1）針對目前常用的熱—機械法制備碳纖維預(yù)浸料存在著溫度變化劇烈、能耗較高等缺點，提出利用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法將碳纖維通過化學(xué)鍍或者熱熔形成金屬薄膜后再固化制得碳纖維預(yù)浸料的新工藝。該工藝不僅能有效地控制預(yù)浸料厚度以及力學(xué)性能的均勻性，而且還可以實現(xiàn)碳纖維與基體間良好的界面結(jié)合，從而達到低成本、高效率的目的。（2）針對熱固相反應(yīng)機理復(fù)雜，需要準(zhǔn)確掌握反應(yīng)過程中各步驟之間相互關(guān)系的問題，建立了基于顆粒動力學(xué)理論的復(fù)合材料模型。運用Monte Carlo模擬軟件分別對模型求解得到不同條件下的溫度場分布情況以及應(yīng)力應(yīng)變場特征曲線，并分析了影響因素及其作用規(guī)律，為后續(xù)的仿真實驗提供理論依據(jù)。（3）為了驗證所設(shè)計的建模算法的正確性，選取了典型的碳纖維預(yù)浸液體系作為試驗對象，進行了相應(yīng)的數(shù)值模擬計算，結(jié)果表明模型能夠很好地擬合實際數(shù)據(jù)，并且計算結(jié)果與真實值吻合得比較理想，證明了所建立模型的合理性和可靠性。（4）在此基礎(chǔ)上，進一步開展了碳纖維預(yù)浸復(fù)合材料基復(fù)合材料的強度優(yōu)化研究，通過改變預(yù)浸料層內(nèi)樹脂含量和浸漬時間等參數(shù)，探討了復(fù)合材料在預(yù)浸液中初始模量、抗拉強度、屈服極限、延伸率、彈性模量和泊松比等方面的變化規(guī)律，并給出相關(guān)公式。

3.6 其他復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

常用的復(fù)合材料有玻璃纖維、芳綸纖維、樹脂、金屬鋰、鎂及其合金、鈷鎳鉻鈦合金、不銹鋼、耐熱鋼、高強度鋼板、低合金鋼、高溫合金材料等均屬于復(fù)合材料等。樹脂是以聚酰胺（尼龍）為原料經(jīng)熔融紡絲制得的合成物，具有強度高、韌性好、耐疲勞性優(yōu)良、電絕緣性好等特點應(yīng)用較為普遍[5]。由于這些材料具有各自獨特的優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、汽車等許多行業(yè)。

4 總結(jié)

綜上所述，近年來在國內(nèi)的航空工業(yè)中應(yīng)用了多種新型高分子復(fù)合材料，例如新型發(fā)動機艙（機翼上梁、機翼框）采用聚酰胺聚合物作為骨架，可承受高溫部件的壓力并具有較好的耐磨性和抗沖擊性。采用聚酰胺類材料，能生產(chǎn)高質(zhì)量的機殼結(jié)構(gòu)件，使其比強度達到30%以上，同時還具有優(yōu)良的機械性能、耐磨性、抗沖擊性、耐熱性及化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，已成為發(fā)展高分子復(fù)合材料的重要方向。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高分子復(fù)合材料將更加廣闊地應(yīng)用到國民經(jīng)濟建設(shè)中去，這將為我國航空工業(yè)注入新的活力。