聚合物基复合材料在民用飞机中的应用进展(范文)

中国地质大学（北京）期末考试论文专用课程名称：复合材料学班号：031051班学号：03105103姓名：李华芳成绩：任课教师：张以河老师、郝向阳老师日期：2008年11月18日聚合物基复合材料在民用飞机中的应用进展(Applicationtrendsofpolymermatrixcompositesinthefieldsofcivilaircrafts)李华芳(中国地质大学（北京）材料科学与工程学院031051班03105103,北京，100083)HuafangLi(ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),SchoolofMaterialsScienceandEngineering,Class031051,Number03105103,Beijing,100083)摘要：综述了几种聚合物基复合材料的研究趋势及其在民用飞机中的应用进展，对相关性能做了评价，并预测了其未来发展方向。关键词：芳纶基复合材料；树脂基复合材料；C/C复合材料；民用飞机；应用Abstract:Summaryofrecentresearchonseveralpolymermatrixcompositesandtrendsinthefieldsofcivilaircraftwasmade,besides,theevaluationontheirperformancewasdone,andtheirfuturedevelopingdirectionswerealsoforecast.Keywords:Kevlar-basedcomposites;Resin-basedcomposites;C/Ccomposites;civilaircrafts;Applications引言：国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006--2020年)》和《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》已把大型飞机项目确定为国家重大科技专项。大型民用飞机的立项对我国航空业有很大的带动作用[1]。航空工业具有产业链长的特点,涉及的先进技术很多。作为产业链的高端,大型民用飞机项目具有很高的技术含量,会带动我国制造业的技术升级。新一代大型民用飞机的研制,带动并促进了聚合物基复合材料技术的飞速发展。聚合物基复合材料在新一代大型民用飞机上的成功应用,为未来民用飞机的发展确立了新的标准和市场准入门槛。大型民用飞机制造作为高技术产业,可以说是制造业的一个制高点,发达国家都在争夺这个制高点。谁占领了这个制高点,就说明谁就具有更高的技术水平、工业水平乃至强大的综合国力。而材料是航空制造业的基础,材料、设计、工艺在航空制造业中的关系非常密切,这一点尤其体现在聚合物基复合材料上。目前聚合物基复合材料已经成为研制大型民用飞机的一个制高点,为了在激烈的民机市场竞争中获胜,波音和空客又在聚合物基复合材料的用量上展开竞争。由于聚合物基复合材料具有比强度高、比刚度大、可设计性强及良好的抗疲劳损伤和耐腐蚀性能等优点,大批飞机零、部件相继采用聚合物基复合材料,并且采用聚合物基复合材料的部位、面积和重量也日趋增加。将先进聚合物基复合材料应用于飞机结构中可相应减重20%--30%，这是其他先进技术很难实现的效果。因此,聚合物基复合材料在军民用飞机上的用量正逐年增加,但从安全性考虑,在民机领域的应用一直落后于军机。然而,从目前波音和空客两大民用航空制造巨头的激烈竞争来看,在飞机的材料和技术选择上,没有聚合物基复合材料的民用飞机是没有任何竞争力和发展潜力的。波音和空客在每一个新机型的宣传以及与对手的比较中,都会将聚合物基复合材料用量作为一个重要的卖点来宣传。与聚中国地质大学（北京）期末考试论文专用课程名称：复合材料学班号：031051班学号：03105103姓名：李华芳成绩：任课教师：张以河老师、郝向阳老师日期：2008年11月18日合物基复合材料用量不断创新高的过程相对应,聚合物基复合材料的应用也从民用飞机的次承力件扩展到主承力件,其应用部位从尾翼扩展到机翼,直至机身。1芳纶基复合材料在民用飞机中的应用进展1.1芳纶基复合材料概述芳纶是芳香族有机纤维的总称，典型的有美国的Kevlar、俄罗斯的Armors[2]。芳纶具有密度低（1.45g/cm3）、耐磨蚀、耐冲击、阻燃等特性。在民用飞机复合材料结构中，一般芳纶与碳纤维配合使用，在实现减轻结构质量的前提下，对易磨损和易碰撞复合材料部件实施外表面的防护。芳纶可用于制作飞机和直升机的二次结构材料，如机舱门、窗、整流罩体、天花板、舱壁、空气管道、贮藏箱柜等，如波音B757飞机的起落架舱门为Kevlar复合材料。芳纶同时具有优良的介电性能、力学性能和极高的尺寸稳定性，使其在机载、舰载和星载雷达天线罩，雷达天线馈源功能构件以及轻型天线支撑结构中使用。芳纶以密度低、比强度和比模量高、耐磨蚀、耐冲击、阻燃等特点，广泛应用于航天航空、机电、建筑、国防与安全防务、环境保护等国民经济的各个领域。在航空用高性能材料方面，飞机的舱内、机体结构等上应用芳纶复合材料。国内自1970年代末开始芳纶的研发，1980年代中期试生产芳纶，间位芳纶方面，广东新会彩艳、山东烟台氨纶已形成了产业化，其产品主要应用于消防服、防弹衣、工业污水处理、环境保护等民用行业。高性能对位芳纶一直未能形成产业化和做为结构/功能增强材料在航空航天上应用。近几年来对位芳纶、共聚芳纶（芳纶Ⅱ）等高性能芳纶得到有关部门、科研院所和企业的重视，已加大了资金的投入和研发的力量。预期在2010年将形成对位芳纶kt级的生产能力，芳纶Ⅲ也能具有20t级的中试生产能中国地质大学（北京）期末考试论文专用课程名称：复合材料学班号：031051班学号：03105103姓名：李华芳成绩：任课教师：张以河老师、郝向阳老师日期：2008年11月18日力，可基本满足国内先进复合材料用芳纶的需求。国内在发展芳纶过程中，应进一步重视产品的系列化（多规格）和规格差异化（不同应用状态），以适应不同应用产品，扩大与航空航天等工业应用单位的合作，加快国产芳纶在航空航天等领域的应用进程[3-5]。1.2芳纶基复合材料的分类芳纶基复合材料主要有两大类：全芳纶基和杂环芳纶基复合材料。全芳纶基复合材料主要包括对位的聚对苯二甲酰对苯二胺－聚对苯甲酰胺纤维（对位芳纶）基复合材料、间位的聚间苯二甲酰间苯二胺－聚间苯甲酰胺纤维（间位芳纶）、共聚芳纶以及如引入折叠基、巨型侧基的其它芳纶基复合材料。杂环芳纶基复合材料是指含有氮、氧、硫等杂质原子的二胺和二酰氯缩聚而成的芳纶基复合材料，如有序结构的杂环芳纶基复合材料等。在复合材料中应用最普遍的是对位芳纶（PPTA）和间位芳纶（PMIA）基复合材料。对位芳纶（PPTA）主要有Kevlar（杜邦）、Technora（帝人）、Twaron（原AkzoNobel）等；间位芳纶主要有杜邦的Nomex、帝人的Conex等，两者化学结构相似，但性能差异较大，应用领域各有不同。俄罗斯的三元共聚芳纶如Armos等以优异的力学性能应用于航天航空高性能结构上。1.2.1对位芳纶对位芳纶是分子链排列呈直线状的高分子有机纤维，我国命之为芳纶1414（又称芳纶Ⅱ）。对位芳纶主链结构具有高度的规则性，大分子是以伸展的状态存在，对位芳纶表现出突出高强度、高模量和耐热性性能，同时还具有适当的韧性可供纺织加工。标准对位芳纶相对密度1.43～1.45g/cm3，无熔融温度，500～570℃时分解。对位芳纶具有高抗拉强度、高抗拉模量、低密度、优良吸能性和减震、耐磨、耐冲击、抗疲劳、尺寸稳定等优异的力学和动态性能；良好的耐化学腐蚀性；高耐热、低膨胀、低导热、不燃、不熔等突出的热性能以及优良的介电性能。单丝强度可达3850MPa，有较高的断后延长率。对位芳纶主要存在着抗压缩强度和抗压缩模量较低、耐潮湿和耐紫外辐射性差、表面与基体复合粘合性差等缺点。对位芳纶大多被用作轻质、耐热的纺织结构或复合结构增强材料。对位芳纶的生产商主要是美国杜邦公司，他们有多种Kevlar纤维产品，如通用型K29、低弹性模量型K119、高强度型K129、高弹性模量低吸水型K149，在航空结构上使用的主要为高弹性模量型K49。美国杜邦公司的Kevlar纤维系列产品的主要性能见表1。在高性能材料领域，探索通过引入第三共聚单体进一步提高对位芳纶的强度和模量，或改进抗层间剪切强度低等缺点，已开发成功的Technora纤维，通过引入第三单体3,4二氨基二苯醚共聚得到。其纤维强度与高强度型K129相同。俄罗斯在杂环共聚芳纶方面具有特有技术，相继开发出多种三元共聚对位芳纶，按性能高低排序，依次为Rusar*、Armos*、SVM*、Terlon系列[6]，其产品的综合性能高，Armos*可认为是新型对位芳纶的代表，其力学性能和热性能是对位芳纶中最佳的（见表2）。对位芳纶最突出的性能是高强度和出色的耐热性，目前芳纶的主要应用领域是橡胶工业、摩擦密封材料、防弹防护、复合材料和绳缆市场。尤其是对位芳纶在橡胶工业领域的用量稳步增长，年增长率接近10%。发中国地质大学（北京）期末考试论文专用课程名称：复合材料学班号：031051班学号：03105103姓名：李华芳成绩：任课教师：张以河老师、郝向阳老师日期：2008年11月18日达国家已经将芳纶防弹产品广泛装备军队和特种人员等，进一步扩大了芳纶的用量。表1杜邦公司Kevlar纤维的主要性能表2-1Armos（俄）和对位芳纶其他品种的力学性能对比表2-2Armos（俄）和对位芳纶其他品种的热学性能对比1.2.2间位芳纶间位芳纶全称是聚间苯二甲酰间苯二胺纤维（PMIA），大分子链呈锯齿状，我国命之为芳纶1313。间位芳纶最早由美国杜邦公司研制成功，并于1967年实现了工业化生产，产品注册为Nomex*（诺美克斯）。间位芳纶1313是一种柔软洁白、纤细蓬松及富有光泽的纤维，外观与普通化纤并无二致，却拥有超乎寻常的“特异功能”。它具有优良的物理和力学性能，如强度、断后延长率等。同时还拥有极佳的耐火、电绝缘性、耐氧化性和化学稳定性。它在260℃温度连续使用1000h后，其强度仍能保持原强度的65%；在300℃高温下使用7d，仍能保持原强度的50%。它的极限氧指数（LOI）为29，在火焰中不会发生熔滴现象，离开火焰会自熄。在400℃的高温下，纤维发生碳化，成为一种隔热层，能阻挡外部的热量传入内部，起到有效的保护作用。在火焰中难以燃烧，离开火焰后具有自熄性；这种源于本身分子结构的固有特性使间位芳纶永久阻燃，因此有“防火纤维”之美称。间位芳纶介电常数很低，使其在高温、低温和高湿条件下均能保持优良的电绝缘性。间位芳纶还具有突出的化学稳定性，在酸、碱、漂白剂、还原剂及有机溶剂中的稳定性很好。同时还具有良好的抗辐射性能。间位芳纶可用于消防、绝缘材料、特种防护服和高温过滤材料。[7-8]用间位芳纶结构材料可制中国地质大学（北京）期末考试论文专用课程名称：复合材料学班号：031051班学号：03105103姓名：李华芳成绩：任课教师：张以河老师、郝向阳老师日期：2008年11月18日作仿生型蜂窝结构板材，具有突出的强度/质量比和刚性/质量比，具有质量轻、耐冲击、抗燃绝缘、耐腐蚀耐老化以及良好的透电磁波性等特性，适于制作飞机、导弹及卫星上的宽频透波材料和大刚性次受力结构部件（如机翼、整流罩、机舱内衬板、舱门、地板、货舱和隔墙等），也适合于制作游艇、赛艇、高速列车及其它高性能要求的夹层结构。1.3芳纶基复合材料在民用飞机中的应用20世纪70年代初，Kevlar49以其密度低、强度和耐烧蚀性能好特性用于导弹的火箭发动机壳体及航空航天结构。波音B757等货舱采用芳纶，提高了复合材料结构使用时的耐磨损性能。波音B787舱内芳纶复合材料使用芳纶织物增强材料（品种规格见表3）。这些芳纶织物增强材料都是采用Kevlar49芳纶机织而成的。复合材料采用环氧树脂浸渍芳纶布，制备芳纶预浸料，按模压或热压罐法成型制备芳纶复合材料制件。表3芳纶织物增强材料品种规格芳纶及其织物应用于直升机的舱内、