新一代飛行器

    "輕質(zhì)化、長(zhǎng)壽命、高可靠、高效能、高隱身、高突防、低成本"是新一代飛行器的發(fā)展目標(biāo).在碳纖維、碳納米管以及熱塑性樹(shù)脂的基礎(chǔ)上,高性能復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)、抗疲勞、易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化等優(yōu)點(diǎn),成為繼鋁、鈦、鋼之后迅速發(fā)展成為飛行器四大結(jié)構(gòu)材料之一.

復(fù)合材料發(fā)展的基礎(chǔ)-高性能增強(qiáng)材料與樹(shù)脂基體

    (一)增強(qiáng)體材料

    1、碳纖維

    目前較廣泛采用的增強(qiáng)體材料主要有:碳纖維、Kevlar( 聚芳香族酰胺) 纖維、UHMWPE( 超高分子量聚乙烯) 纖維、PBO( 聚苯并噁唑) 纖維等高性能纖維.

    碳纖維研究發(fā)展主要是提高強(qiáng)度、模量與斷裂伸長(zhǎng)率,降低生產(chǎn)成本,穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量.應(yīng)用最廣的主要是聚丙烯腈( PAN) 基碳纖維.T800H 是一種中等模量、高拉伸強(qiáng)度碳纖維,其拉伸模量比T300 提高了30%,拉伸強(qiáng)度則提高了50%,用其制成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限得到明顯提高.

    2、新興的碳納米管復(fù)合材料

碳納米管

    2000 年后碳納米管紗線和碳納米管膜的相繼問(wèn)世,使得納米復(fù)合材料中碳納米管( Carbon Nanotbue,CNT) 的含量可達(dá)40 ~ 60wt%,對(duì)于納米復(fù)合材料的發(fā)展具有里程碑意義.

    連續(xù)碳納米管纖維是將碳納米管在一定張力下沿一定角度取向所形成的連續(xù)紗線.CNT 纖維制備無(wú)需前驅(qū)體交聯(lián)氧化、碳化過(guò)程,碳管依靠過(guò)剩的表面自由能、管間范德華力等作用,排列組裝形成宏觀連續(xù)纖維.

    Liu等采用多次牽伸和壓實(shí)方法得到高取向高致密化碳納米管膜,與高分子材料相似,碳納米管膜在拉伸過(guò)程中出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象,隨著碳納米管的排列有序化,其膜密度和拉伸強(qiáng)度均提高兩倍,分別為0.98g /cm3和598MPa.

    Cheng 等將牽伸取向的碳納米管膜與馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂體系復(fù)合,采用熱壓工藝制備得到碳納米管膜復(fù)合材料,其碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)60%,拉伸強(qiáng)度和模量分別為2GPa 和169GPa.進(jìn)一步通過(guò)環(huán)氧功能化處理和熱壓工藝制備的碳納米管膜復(fù)合材料,強(qiáng)度和模量高達(dá)3GPa和350GPa.由于碳納米管膜出色的電磁屏蔽性能,NASA已將Nanocomp 公司生產(chǎn)的碳納米管膜應(yīng)用于朱諾飛船以保護(hù)其關(guān)鍵部件免受靜電放電帶來(lái)的損傷.

    碳納米管膜及其復(fù)合材料在防雷擊應(yīng)用方面也引起廣泛關(guān)注.Park 等研究表明單壁碳納米管膜具有很好傳導(dǎo)超強(qiáng)電流的能力,能夠起到保護(hù)內(nèi)部材料的作用,由此推測(cè)碳納米管宏觀體有望成為新一代輕質(zhì)高效的防雷擊材料.

    北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院在碳納米管纖維/膜及其制備的納米復(fù)合材料力學(xué)、功能特性方面取得了一定研究成果,為國(guó)內(nèi)碳納米管復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ).

    (二)基體材料

    目前樹(shù)脂體系按韌性可分為四代,按耐溫性能可分為三代.從韌性角度來(lái)看,國(guó)外樹(shù)脂已經(jīng)發(fā)展到第四代,如下圖所示.近期復(fù)合材料高性能樹(shù)脂基體研究主要圍繞提高長(zhǎng)期服役溫度,改善樹(shù)脂韌性、工藝性及耐濕熱性能等方面展開(kāi).熱固性樹(shù)脂體系研究主要集中在環(huán)氧樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺( 簡(jiǎn)稱雙馬) 樹(shù)脂上,同時(shí)具有優(yōu)異耐溫性的聚酰亞胺樹(shù)脂和綜合性能優(yōu)良的氰酸酯樹(shù)脂也受到了關(guān)注.

國(guó)外樹(shù)脂基體的發(fā)展?fàn)顩r

    熱塑性樹(shù)脂在航空航天領(lǐng)域內(nèi)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.其具有以下優(yōu)點(diǎn):

    ①優(yōu)異的抗沖擊韌性、耐疲勞損傷性能;

    ②成型周期短、生產(chǎn)效率高;

    ③纖維預(yù)浸料不需要低溫貯存;

    ④制品可重復(fù)加工,廢舊制品可再生利用;

    ⑤產(chǎn)品設(shè)計(jì)自由度大、成型適應(yīng)性廣.

    在軍機(jī)方面,美國(guó)F-22 戰(zhàn)斗機(jī)上熱塑性復(fù)合材料用量達(dá)到10%.研究人員將碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮和碳纖維增強(qiáng)改性雙馬樹(shù)脂兩種復(fù)合材料應(yīng)用在F-5E 和T-38 飛機(jī)上,并在同樣條件下進(jìn)行飛行試驗(yàn).結(jié)果表明,熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料在抗分層和缺陷數(shù)量方面具有一定的優(yōu)勢(shì).聚醚醚酮( PEEK) 預(yù)浸料已經(jīng)應(yīng)用在F117A 全自動(dòng)尾翼,C-130 機(jī)身的腹部壁板,法國(guó)陣風(fēng)機(jī)身蒙皮等部位.

    在民用飛機(jī)方面,先進(jìn)熱塑性樹(shù)脂同樣具有重要的應(yīng)用,如空客A340 /A380 飛機(jī)機(jī)翼前緣應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)的聚苯硫醚復(fù)合材料.航天方面,熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用也越來(lái)越廣,如采用AS4c 單向織物/PEEK預(yù)浸料制備的反射鏡基板、復(fù)合PEEK 樹(shù)脂制成反射鏡等.

  復(fù)合材料發(fā)展的保障-高精度無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與可靠評(píng)價(jià)

    復(fù)合材料在制備、服役過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋、脫粘、分層等缺陷.因而復(fù)合材料的性能蛻變、損傷演化、疲勞等的檢測(cè)/預(yù)報(bào)/預(yù)防問(wèn)題,已成為保障復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可靠應(yīng)用的重要方面.

    目前,采用非接觸無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以提高檢測(cè)效率、節(jié)約維護(hù)成本、縮短型號(hào)研制周期.此類(lèi)技術(shù)主要可分為基于機(jī)械振動(dòng)的空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù),基于光學(xué)的紅外熱像技術(shù)、散斑干涉技術(shù)、全息成像、太赫茲技術(shù)、超導(dǎo)量子干涉技術(shù)以及激光超聲、電磁超聲等混合技術(shù).例如采用空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)波音B737 機(jī)翼后緣蜂窩夾芯材料、空客A320 副翼、波音737 尾翼、黑鷹直升機(jī)旋翼、泡沫夾芯材料及相應(yīng)構(gòu)件的檢測(cè).超聲紅外熱像技術(shù)基于缺陷區(qū)機(jī)械波引起的摩擦熱效應(yīng)而建立,已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋、Nomex 蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮脫粘及表面裂紋等缺陷的檢測(cè)中得到驗(yàn)證和推廣.

飛行器表面無(wú)損檢測(cè)

    此外電子散斑干涉技術(shù)( ESPI) 及電子剪切散斑干涉技術(shù)( ESSPI)能實(shí)時(shí)、可靠地檢測(cè)出玻璃纖維復(fù)合材料、蜂窩夾芯材料中脫粘、分層、沖擊損傷等典型缺陷,尤其對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部開(kāi)裂、裂紋較敏感等問(wèn)題可及時(shí)準(zhǔn)確檢出,如上圖所示.

責(zé)任編輯：周婭

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