先進(jìn)復(fù)合材料的研究與應(yīng)用

先進(jìn)復(fù)合材料的研究與應(yīng)用

20世紀(jì)70年代末，先后開發(fā)了碳纖維、碳硅纖維、氧化鋅纖維、硼纖維、纖維芳倫纖維、高密度聚苯乙烯纖維等高性能增強(qiáng)材料，并以高性能樹脂、金屬和陶瓷為基礎(chǔ)。先進(jìn)材料。這種先進(jìn)復(fù)合材料具有比玻璃纖維復(fù)合材料更好的性能,是用于飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。ACM的發(fā)展方向可以用“7化”來概括,即碳纖維低成本規(guī)?；?玻璃纖維高性化;高性能纖維雜混改性化;ACM應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展化;高性能樹脂雜混改性化;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)用化和制造裝備現(xiàn)代化。碳纖維在各工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用量及其份額是工業(yè)技術(shù)水平和先進(jìn)技術(shù)民用化的標(biāo)志之一,美國(guó)、日本、中國(guó)和世界整體碳纖維應(yīng)用份額見表1。未來5年中國(guó)碳纖維在各應(yīng)用領(lǐng)域的用量、份額及其增長(zhǎng)率變化見表2、表3。ACM的典型代表是環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料,經(jīng)過多年使用驗(yàn)證,環(huán)氧樹脂基體以其綜合性能優(yōu)異、工藝性良好、價(jià)格低等諸多優(yōu)點(diǎn),在馬赫數(shù)1.5以下飛機(jī)上的用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙馬來酰胺樹脂基體(BMI),以A400M、波音787飛機(jī)為例,復(fù)合材料分別占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的36%和50%,其中,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)居主導(dǎo)地位的一直是剛性雙酚A二縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂。如美國(guó)“三叉戟-1”、“三叉戟-2”導(dǎo)彈以及“飛馬座”火箭采用的HBRF-55A配方就以E-PON826為主。多年來各國(guó)都在通過加入柔性單元改進(jìn)環(huán)氧樹脂的韌性,通過加入新型剛性鏈單元結(jié)構(gòu)或使用芴型芳香胺固化劑來提高耐熱性,并分別取得了預(yù)期的效果。1國(guó)內(nèi)外先進(jìn)復(fù)合材料的研究與應(yīng)用情況先進(jìn)復(fù)合材料的研究應(yīng)用主要集中于國(guó)防工業(yè)。高性能樹脂基復(fù)合材料,主要是碳纖維和芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂,多官能團(tuán)環(huán)氧樹脂和BMI。復(fù)合材料性能穩(wěn)定,已大量投入應(yīng)用,相當(dāng)于T300/聚酰亞胺PMR-15性能的復(fù)合材料已研制成功,一批高性能的熱塑性樹脂基復(fù)合材料,如PEEK、PECK、PPS等正在從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱?。?jù)介紹,先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件正在由次承力件向主承力件過渡。在成型工藝方面,先進(jìn)復(fù)合材料借助玻璃鋼成型技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)由手糊到機(jī)械化自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變。但總的水平與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)還有一定距離。高性能聚合物基復(fù)合材料在航空航天工業(yè)的用量占其全部用量的80%。國(guó)內(nèi)外先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用情況見表4。鑒于4,4’-二氨基二苯甲烷四縮水甘油胺(TGDDM)的性價(jià)比,該材料可能是最實(shí)用的高性能環(huán)氧樹脂。TGDDM具有優(yōu)良的耐熱性,長(zhǎng)時(shí)高溫性能和機(jī)械強(qiáng)度保持率,固化收縮低,化學(xué)和輻射穩(wěn)定性好,還可用于高性能結(jié)構(gòu)膠粘劑,結(jié)構(gòu)層壓板和耐高能輻射材料。1.1復(fù)合材料機(jī)翼1986年設(shè)計(jì)的C-17是上世紀(jì)先進(jìn)大型軍用運(yùn)輸機(jī)的典型代表,限于當(dāng)時(shí)的水平,復(fù)合材料主要用于次要結(jié)構(gòu),如雷達(dá)罩、整流罩、操縱面、口蓋、翼梢小翼蒙皮等。復(fù)合材料重約7258k,占該機(jī)結(jié)構(gòu)重量8.1%。樹脂基復(fù)合材料從非承力結(jié)構(gòu)發(fā)展到次承力構(gòu)件。在復(fù)合材料中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料約占結(jié)構(gòu)重量6%,玻璃纖維塑料、Kevlar纖維增強(qiáng)材料占2%。歐洲EADS正在研究的A400M屬于新一代大型軍用運(yùn)輸機(jī),在材料應(yīng)用技術(shù)上有了一個(gè)新的飛躍,主要表現(xiàn)為先進(jìn)復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的35%~40%。與C-17不同的是,在A400M上,碳纖維復(fù)合材料用于一些主承力結(jié)構(gòu),而C-17的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量比僅為8%,且主要用于操縱面及次要結(jié)構(gòu)。A400M的機(jī)身仍由傳統(tǒng)的鋁合金制成,但卻開創(chuàng)了采用碳纖維復(fù)合材料制造大型運(yùn)輸機(jī)機(jī)翼的先河,機(jī)翼長(zhǎng)達(dá)19m,令業(yè)界頗為矚目。在A400M運(yùn)輸機(jī)上,特別值得提出的是復(fù)合材料機(jī)翼,碳纖維復(fù)合材料占機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量比例高達(dá)85%,開創(chuàng)了使用復(fù)合材料為主要材料制造大型運(yùn)輸機(jī)機(jī)翼的先例。采用碳纖維制造的機(jī)翼,重量是同等強(qiáng)度鋁合金機(jī)翼的75%至80%,并且不會(huì)產(chǎn)生金屬疲勞,先進(jìn)復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用對(duì)于減輕結(jié)構(gòu)重量相當(dāng)有利。在A400M的復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造中,廣泛采用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件,如土耳其航空航天工業(yè)公司就使用美國(guó)維斯特吉公司的FiberSlM軟件來進(jìn)行設(shè)計(jì)。土耳其航空航天工業(yè)公司作為空客A400M項(xiàng)目的簽約合作方,在CATIAV5CAD模擬環(huán)境中利用該軟件為A400M運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)了副翼及擾流片等氣動(dòng)控制面。A400M的機(jī)翼除前緣、前后緣支承結(jié)構(gòu)及鉸鏈采用鋁合金外,其氣動(dòng)舵面、機(jī)翼蒙皮、桁條以及中央翼盒與外翼盒接頭的某些部件也均為復(fù)合材料。但為了確保強(qiáng)度安全,A400M機(jī)翼與機(jī)身的接頭采用鈦合金制造并用螺栓以雙鉤環(huán)固定,以保證在斷裂時(shí)有雙余度保險(xiǎn)。該機(jī)翼蒙皮與加強(qiáng)筋組成一體固定在碳纖維復(fù)合材料翼梁上,翼肋仍采用鋁合金制造。因其主要受壓應(yīng)力,此時(shí)用復(fù)合材料與用鋁合金并無大的不同。除機(jī)翼外,A400M的尾部貨艙門、起落架艙門、整流罩以及螺旋槳也采用高強(qiáng)度復(fù)合材料來制造。目前,空客公司正在進(jìn)行一項(xiàng)更為“大膽”的重要計(jì)劃—研制全碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼,并已制造出6.2m的翼盒驗(yàn)證件。A400M的T型尾翼設(shè)計(jì)為加強(qiáng)結(jié)構(gòu),并大量采用復(fù)合材料,碳纖維復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量比例高達(dá)97%~98%。垂尾主要由1個(gè)三粱主盒段、1個(gè)可拆卸的前緣、后緣隔板和一塊方向舵組成,垂直尾翼的根部與后機(jī)身上一個(gè)機(jī)械加工的平直翼面連接。除了垂尾前緣和鉸鏈,所有這些結(jié)構(gòu)部件主要由復(fù)合材料制造。垂尾前緣是金屬/復(fù)合材料的復(fù)合型部件,可改善抗沖擊和防腐蝕性能,在垂尾翼尖裝有預(yù)警保障措施短艙。方向舵是帶鋁合金鉸鏈連接肋的碳纖維加強(qiáng)型結(jié)構(gòu),由兩臺(tái)液壓伺服作動(dòng)筒和一臺(tái)電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。A400M的垂尾面積較大,有著非常不錯(cuò)的航向穩(wěn)定性。水平尾翼為鋁合金中央結(jié)構(gòu)翼盒和兩個(gè)復(fù)合材料的外側(cè)盒段結(jié)構(gòu),中央盒段為水平尾翼與垂直安定面的連接提供安裝固定結(jié)構(gòu)。水平尾翼兩側(cè)各有一塊升降舵,其主結(jié)構(gòu)也采用了碳纖維復(fù)合材料。A400M運(yùn)輸機(jī)所用環(huán)氧基體碳纖維復(fù)合材其主要用于翼梁、縱梁、機(jī)翼箱型梁、升降舵蒙皮、氣動(dòng)舵面、機(jī)翼蒙皮、桁條以及中央翼盒與外翼盒接頭的某些部件。1.2復(fù)合材料的使用為滿足新一代戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)高機(jī)動(dòng)性、超音速巡航及隱身的要求,進(jìn)入90年代后,西方的戰(zhàn)斗機(jī)無一例外的大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu),用量一般都在25%以上,有的甚至達(dá)到35%,結(jié)構(gòu)減重效率達(dá)30%。應(yīng)用部位幾乎遍布飛機(jī)的機(jī)體,包括垂直尾翼、水平尾翼、機(jī)身蒙皮以及機(jī)翼的壁板和蒙皮等。如美國(guó)第4代戰(zhàn)斗機(jī)F-22復(fù)合材料用量已達(dá)到24%,而EF2000更高達(dá)43%,EF2000除鴨翼外,機(jī)身、機(jī)翼、腹鰭、方向舵都采用復(fù)合材料,結(jié)構(gòu)“濕潤(rùn)”表面的70%為復(fù)合材料。陣風(fēng)也是如此,70%的“濕潤(rùn)”表面為復(fù)合材料,約947kg之重。F-35的復(fù)合材料幾乎覆蓋了整個(gè)飛機(jī)外表面。1.3復(fù)合材料+傳統(tǒng)知識(shí)國(guó)外目前研制的無人機(jī)以復(fù)合材料和傳統(tǒng)鋁合金的混合結(jié)構(gòu)為主。如“捕食者”“全球鷹”等均是如此。其中“全球鷹”的機(jī)翼和尾翼由石墨/環(huán)氧復(fù)合材料制造,而機(jī)身仍采用傳統(tǒng)鋁合金,復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的65%。無人戰(zhàn)斗機(jī)是未來航空武器的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。為滿足采購(gòu)政策、隱身性能、機(jī)動(dòng)性、生存力對(duì)材料的特殊需求,為盡可能地降低結(jié)構(gòu)重量、提高燃油裝載量,無人戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是大量應(yīng)用復(fù)合材料。以波音公司的X-45A為例,除機(jī)身的龍骨、梁和隔框采用高速切削鋁合金外,其余的機(jī)體結(jié)構(gòu)都是由復(fù)合材料制成。諾斯羅普·格魯門公司的X-47A的機(jī)體除一些接頭采用鋁合金外,整個(gè)機(jī)體幾乎全部采用了復(fù)合材料。1.4升力系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)直升機(jī)采用復(fù)合材料不僅可減重,且對(duì)于改善直升機(jī)抗墜毀性能意義重大,因而復(fù)合材料在直升機(jī)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用更廣、用量更大,不僅機(jī)身結(jié)構(gòu),而且由槳葉和槳轂組成的升力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)也大量采用樹脂基復(fù)合材料。H360、S-75、BK-117和V-22等直升機(jī)均大量采用了復(fù)合材料,如頃轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)V-22用復(fù)合材料近3000kg,占結(jié)構(gòu)總重的45%左右,法德合作研制的“虎”式武裝直升機(jī),復(fù)合材料用量更高達(dá)77%。1.5飛機(jī)防熱劑組成以NASA開發(fā)的第2代可重復(fù)使用航天飛機(jī)為例,油箱內(nèi)襯為復(fù)合材料。在推進(jìn)系統(tǒng)中將采用陶瓷基復(fù)合材料發(fā)射斜軌、金屬基復(fù)合材料機(jī)匣以及樹脂基復(fù)合材料涵道。此外還將采用復(fù)合材料電子設(shè)備艙。第3代可重復(fù)使用航天飛機(jī)將為一智能結(jié)構(gòu),具有自適應(yīng)熱防護(hù)系統(tǒng)及智能化無損檢測(cè)裝置,自愈合的飛機(jī)結(jié)構(gòu)及表面。發(fā)動(dòng)機(jī)材料將可能使用經(jīng)冷卻的復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料加力燃燒室殼體、超高溫復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)材料將包括超高溫樹脂基復(fù)合材料、低成本耐腐蝕熱防護(hù)系統(tǒng)復(fù)合材料液氧油箱。美國(guó)高超聲速飛行器X-43是由超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力裝置的驗(yàn)證機(jī)。其油箱/機(jī)身由石墨/環(huán)氧框架及蒙皮組成。蒙皮外再覆以熱防護(hù)系統(tǒng)。飛機(jī)上翼面熱防護(hù)層為可剪裁的先進(jìn)絕緣氈,下翼面為內(nèi)多層屏蔽絕緣物。后者是正處于開發(fā)中的防熱材料,由C/SiC外面板,中介陶瓷屏以及先進(jìn)聚酰亞胺泡沫內(nèi)襯。中介陶瓷屏覆以貴金屬以降低其熱輻射。機(jī)翼及垂尾由鈦基復(fù)合材料制成,并有1個(gè)由二硼化鋯制成的前緣。1.6樹脂基復(fù)合材料材料在火箭和導(dǎo)彈上使用碳復(fù)合材料減重效果十分顯著。因此,采用碳纖維復(fù)合材料將大大減輕火箭和導(dǎo)彈的惰性重量,既減輕發(fā)射重量又可節(jié)省發(fā)射費(fèi)用或攜帶更重的彈頭或增加有效射程和落點(diǎn)精度。利用纖維纏繞工藝制造的環(huán)氧基固體發(fā)動(dòng)機(jī)罩耐腐蝕、耐高溫、耐輻射、且密度小、剛性好、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定。再如導(dǎo)彈彈頭采用了環(huán)氧基及環(huán)氧酚醛基纖維增強(qiáng)材料。在樹脂基復(fù)合材料中,環(huán)氧樹脂(EP)是巡航導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)所用復(fù)合材料中最主要的基體材料,在所有樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中所占的比例高達(dá)90%。但隨著飛行速度的提高,超聲速巡航導(dǎo)彈研究的日益深入,目前樹脂基復(fù)合材料的研究重點(diǎn)已由環(huán)氧樹脂向BMI、聚酰亞胺(PI)樹脂、氰酸酯樹脂轉(zhuǎn)移。Bryte公司最近開發(fā)了一系列氰酸酯樹脂基體,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)335℃,短時(shí)工作溫度達(dá)300℃,可以代替BMI和聚酰亞胺,氰酸酯樹脂已成為未來結(jié)構(gòu)/功能一體化的有力候選材料,可以作為超聲速巡航導(dǎo)彈復(fù)合材料舵面和彈體通常選用的樹脂。耐高溫樹脂基復(fù)合材料是超聲速巡航導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)的主選材料,以BMI、PI樹脂為主。目前國(guó)內(nèi)的PI樹脂存在著性能不穩(wěn)定、工藝操作性差等諸多問題,難以成型大尺寸、復(fù)雜型面的復(fù)合材料結(jié)構(gòu),不宜作為超聲速巡航導(dǎo)彈主體結(jié)構(gòu)樹脂。從美國(guó)雷錫恩導(dǎo)彈系統(tǒng)公司的經(jīng)驗(yàn)來看,在近10年期間將把高溫樹脂基復(fù)合材料基體的研究集中于BMI,取代以往研究的PI,充分利用BMI的可加工性、低成本、易操作性。BMI樹脂的耐溫性能能達(dá)到300℃左右,完全可以滿足低馬赫數(shù)(≤2Ma)超聲速巡航導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)的需求。耐高溫有機(jī)樹脂基透波復(fù)合材料體系中,美國(guó)研制開發(fā)的PI樹脂和聚苯并咪唑(PBI)樹脂及俄羅斯研制的改性酚醛樹脂都具有良好的透波性能和工藝性能,已在寬頻天線罩(HARM、ALARM、KP-1)上獲得應(yīng)用,使用溫度達(dá)到600℃。1.7天線、支架和支撐結(jié)構(gòu)宇航工業(yè)中除燒蝕復(fù)合材料外,高性能復(fù)合材料應(yīng)用也很廣泛。如三叉戟導(dǎo)彈儀器艙錐體采用C/EP后減重25%~30%,省工50%左右。還用作儀器支架及三叉戟導(dǎo)彈上的陀螺支架、彈射筒支承環(huán),彈射滾柱支架、慣性裝置內(nèi)支架和電池支架等55個(gè)輔助結(jié)構(gòu)件。由于減重,使射程增加342km。德爾塔火箭的保護(hù)罩和級(jí)間段亦由C/EP制造。美國(guó)衛(wèi)星和飛行器上的天線、天線支架、太陽(yáng)能電池框架和微波濾波器等均采用C/EP定型生產(chǎn)。國(guó)際通訊衛(wèi)星V上采用C/EP制作天線支撐結(jié)構(gòu)和大型空間結(jié)構(gòu)。宇航器“空中旅行者”的高增益天線次反射器和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)外蒙皮采用了K-49/EP。航天飛機(jī)用Nomex蜂窩C/EP復(fù)合材料制成大艙門,C/EP尾艙結(jié)構(gòu)壁板等。人造衛(wèi)星使用碳復(fù)合材料制造衛(wèi)星整流罩、展開式太陽(yáng)能電池板,而宇宙飛船使用碳復(fù)合材料制造防熱材料、太陽(yáng)能電池陣基板和航天飛機(jī)艙門、機(jī)械臂和壓力容器等。1.8結(jié)構(gòu)材料—航空發(fā)動(dòng)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料取代金屬材料可以有效減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量,降低燃料消耗,增加航程。有資料報(bào)道,發(fā)動(dòng)機(jī)減輕1磅(0.454kg)重量,飛機(jī)則可減輕10~20磅重量。從70年代初,復(fù)合材料就成為TF39、F103特別是GE36UDF發(fā)動(dòng)機(jī)研制計(jì)劃的一部分,在這些發(fā)動(dòng)機(jī)上積累了經(jīng)驗(yàn)之后,在GE90的風(fēng)扇葉片上成功使用了高性能韌化環(huán)氧復(fù)合材料。此外,在F119風(fēng)扇機(jī)匣、遄達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣包容環(huán)及反推力裝置上也廣泛采用了樹脂基復(fù)合材料。近期開發(fā)的波音787的動(dòng)力裝置GEnx的風(fēng)扇機(jī)匣及風(fēng)扇葉片,將由碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料制成。除減重外,復(fù)合材料還表現(xiàn)出良好的韌性及耐蝕性。至于陶瓷基復(fù)合材料等超高溫復(fù)合材料,目前已在M88、F119等發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管等靜止件上獲得應(yīng)用。隨著飛行器向高空、高速、無人化、智能化、低成本化方向發(fā)展,復(fù)合材料的地位會(huì)越來越重要。國(guó)外預(yù)計(jì),在下一代飛機(jī)上,復(fù)合材料將扮演主角,目前采用全復(fù)合材料飛行器的計(jì)劃正處于醞釀之中。1.9材料材料的使用民用航空材料方面由于采用環(huán)氧基碳纖維增強(qiáng)材料,帶來非常明顯的性價(jià)比,歐洲空中客車公司提出更多地用輕質(zhì)高強(qiáng)材料使機(jī)身減重30%,整個(gè)飛行成本可降低40%?？湛偷膬?chǔ)備技術(shù)還說明,機(jī)身達(dá)到減重15%,成本可下降15%的目標(biāo)。空客在使用復(fù)合材料方面一直走在業(yè)界前頭,A380飛機(jī)約25%由復(fù)合材料制造,其中22%為環(huán)氧基體碳纖維復(fù)合材料,工程塑料基碳纖維增強(qiáng)塑料比重>1%。A380在后壓力艙后部的后機(jī)身首次采用了復(fù)合材料和先進(jìn)金屬材料,使用這些復(fù)合材料減輕了機(jī)身重量,大大減少了油耗和排放,并降低了運(yùn)營(yíng)成本。再如波音B777飛機(jī)上采用碳纖維增強(qiáng)工程塑料量達(dá)9.9t,占結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的11%。而波音B787飛機(jī)上采用環(huán)氧樹脂基、雙馬來酰亞胺基體碳纖維復(fù)合材料和熱塑性工程塑料,其用量達(dá)機(jī)重的50%。環(huán)氧樹脂基、雙馬來酰亞胺基碳纖維復(fù)合材料主要用來制造機(jī)翼、機(jī)身、地楞橫梁等部位的結(jié)構(gòu)材料,內(nèi)部裝飾上也大面積使用了熱塑性工程塑料。2中國(guó)航空航天部的先進(jìn)材料2.1tgddm環(huán)氧體系我國(guó)高性能復(fù)合材料應(yīng)用于航空業(yè)已有20多年歷史,目前軍用殲擊機(jī)用量達(dá)25%,直升機(jī)最高用量可達(dá)50%,民用客機(jī)也達(dá)到10%~20%,主要用于起落架艙門、內(nèi)外側(cè)副翼、方向舵、升降舵、擾流板等。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者從事TGDDM環(huán)氧體系的研究與開發(fā)工作,并取得了較大成績(jī)。特別值得指出的是,我國(guó)科技工作者經(jīng)多年研究,開發(fā)了商品名為TDE-85的三官能團(tuán)環(huán)氧樹脂,其化學(xué)名為4,5-環(huán)氧己烷-1,2-二甲酸二縮水甘油酯,其分子中含有2個(gè)反應(yīng)活性高的縮水甘油酯基和一個(gè)反應(yīng)活性與前者差別很大的脂環(huán)環(huán)氧基。該樹脂是一種工藝性、耐熱性均很優(yōu)異的高性能環(huán)氧樹脂。西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱玻璃鋼研究所等單位用TDE-85環(huán)氧樹脂為基體材料制作的復(fù)合材料,應(yīng)用在某些有特殊需要的產(chǎn)品上已獲得令人滿意的結(jié)果。2.2材料及性能要求THC-400,THC-800系列,TH-30系列,THH系列,THF等是陜西太航阻火聚合物有限公司開發(fā)的專用于復(fù)合材料的耐燒蝕耐高溫潔凈阻燃韌性環(huán)氧樹脂基體的特種樹脂溶液,有一系列不同的分子量和獨(dú)特的分子量分布。黏度低,易于浸潤(rùn)碳纖維,有特別優(yōu)異的粘接性。同時(shí)對(duì)芳倫纖維,高硅氧纖維等玻璃纖維同樣有優(yōu)良的粘接性能,其復(fù)合材料耐溫可達(dá)350℃左右,甚至更高。同時(shí)不燃,無煙,有優(yōu)異的燒蝕性能和透波性能。碳纖維復(fù)合材料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體用耐燒蝕耐高溫潔凈阻燃韌性環(huán)氧樹脂基體及其預(yù)浸料可存放3~6個(gè)月。預(yù)浸料適用于模壓、層壓、熱壓罐多種工藝,也可纏繞,已成功用于航天產(chǎn)品的碳/碳材料的制造,火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管、擴(kuò)散段、天線罩、飛機(jī)部件的制造。汽車工業(yè)的新型碳纖維離合器,其使用壽命可達(dá)30萬次,比發(fā)達(dá)國(guó)家高一倍,其模壓復(fù)合材料力學(xué)性能見表5。所制造的碳纖維剎車片各種指標(biāo)達(dá)到或超過德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。其玻璃纖維模壓復(fù)合材料在不同頻率下的介電性能和不同溫度的機(jī)械性能見表6。近年來,針對(duì)環(huán)氧樹脂基體韌性不足、耐濕熱性較差的問題,國(guó)內(nèi)相關(guān)單位開展了多方面的改性研究,使復(fù)合材料沖擊后的壓縮強(qiáng)度達(dá)到了250MPa以上,復(fù)合材料飽和吸濕后120℃下的綜合性能的保持率均與國(guó)外同類樹脂體系相當(dāng)。其多墻式復(fù)合材料層壓板共固化、共膠接結(jié)構(gòu),全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)已在馬赫數(shù)1.5以下的飛機(jī)上得到了工程化應(yīng)用,并且有的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)經(jīng)過了近20年的使用考核,質(zhì)量情況仍然良好。疲勞試驗(yàn)的結(jié)果表明,在給定的設(shè)計(jì)載荷下,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件30年的飛行壽命是可靠的。使用經(jīng)驗(yàn)表明,這類復(fù)合材料是一種性能優(yōu)異的材料,它已逐漸開始走向成熟。環(huán)氧樹脂體系對(duì)碳纖維品種適應(yīng)性研究在國(guó)內(nèi)也取得了成果,特別是國(guó)產(chǎn)碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料已通過了一系列性能考核。以NY9200環(huán)氧樹脂體系為例,與纖維界面有關(guān)的復(fù)合材料0°壓縮和面內(nèi)剪切性能與國(guó)外同類纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料相當(dāng),界面破壞形貌基本相似,并開始進(jìn)入飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。2.3樹脂基復(fù)合材料在“九五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目“碳纖維復(fù)合材料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體用高性能樹脂基體的研究”項(xiàng)目支持下,針對(duì)“KN-1”型固體航天器和武器型號(hào)發(fā)展急需,針對(duì)碳纖維先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用很廣的芳香胺類固化的環(huán)氧樹脂體系,設(shè)計(jì)合成了一種中間含有“柔性可旋轉(zhuǎn)”鏈段的低黏度的二官能環(huán)氧基化合物,通過配方設(shè)計(jì)篩選,結(jié)合熱、力學(xué)性能測(cè)試,開發(fā)了一種集韌性、耐熱性及工藝都很好的環(huán)氧樹脂基體。韌性環(huán)氧樹脂基體配方在室溫下黏度低,貯存適用期長(zhǎng),澆鑄體熱變形溫度較高,斷裂延伸率高達(dá)5.3%,其濕法纏繞成型的T-700碳復(fù)合材料具有界面粘接好,纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率高達(dá)89.4%。<150mm壓力容器水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果表明,該樹脂基體工藝性能優(yōu)良,壓力容器特性系數(shù)pvw值高達(dá)40.1km。該種纖維復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體(壓力容器)主要性能指標(biāo)達(dá)到了以美國(guó)國(guó)家宇航局NASA為代表的國(guó)際先進(jìn)水平?？梢杂迷摳男詷渲w制造高性能碳復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。98-28A-01-17鑒定專家一致認(rèn)為該改性樹脂基體的研制成功,為我國(guó)航天航空用先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展起到了開拓性的作用。2.4和載荷機(jī)翼中國(guó)第4代飛機(jī)J-14開始全比例模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),見圖1。中國(guó)第4代重型殲擊機(jī)殲14“鷹隼”是一種全新的高性能、多用途、全天候的空中優(yōu)勢(shì)的戰(zhàn)斗機(jī)。中國(guó)第5代飛機(jī)J-15、J-20和艦載戰(zhàn)斗機(jī)正在研制,見圖2和圖3。殲14“鷹隼”是單座雙發(fā)、雙V、總體布局形垂尾翼、菱形進(jìn)氣道的縱向一體化三翼面的氣動(dòng)布局。主要技術(shù)采用前掠式機(jī)翼,翼身融合的隱身設(shè)計(jì),武器裝載在機(jī)身的武器艙和推力矢量控制技術(shù)。機(jī)體的36%由碳纖維復(fù)合材料制成,鈦64約占24%,鈦62222占3%,鋼占16%,鋁合金占16%,熱塑性復(fù)合材料大于1%,其他材料(包括涂漆、座藏蓋、機(jī)頭雷達(dá)整流罩、輪胎、剎車片、密封材料、黏合劑、氣體、潤(rùn)滑油和冷卻劑等)占15%。傳統(tǒng)的鋼和鋁合金占的比重很小,而大量使用了鈦合金和復(fù)合材料。2.5結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的發(fā)展材料與工藝是導(dǎo)彈研制、生產(chǎn)的基礎(chǔ),對(duì)提高導(dǎo)彈武器的性能、降低其成本起著重要作用,當(dāng)前的研究重點(diǎn)是高性能合金、復(fù)合材料、隱身材料及特殊結(jié)構(gòu)和功能材料。其中,復(fù)合材料及其制造工藝特別重要。用高性能纖維及其編織物、采用增強(qiáng)基體,可以批量生產(chǎn)強(qiáng)度大、比重小的高級(jí)復(fù)合材料,而且應(yīng)用部位已由次承力部件發(fā)展到主承力部件。戰(zhàn)略導(dǎo)彈的固體發(fā)動(dòng)機(jī)、儀器艙、彈頭防熱與突防結(jié)構(gòu)、機(jī)動(dòng)發(fā)射筒、各類戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的防熱結(jié)構(gòu)等,都是典型的復(fù)合材料構(gòu)件。國(guó)內(nèi)的巡航導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)復(fù)合材料發(fā)展水平與國(guó)外差距較大,但針對(duì)巡航導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)近期發(fā)展了一系列樹脂基復(fù)合材料新技術(shù)、新結(jié)構(gòu),牽引出以下3種樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料新技術(shù)的發(fā)展:低成本整體成型復(fù)合材料、耐高溫多結(jié)構(gòu)特性復(fù)合材料、耐高溫透波/結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。以上3種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及技術(shù)具備顯著的不同于航空結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),集中了巡航導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)的主要典型特征。(1)先進(jìn)的成型技術(shù)在新一代亞聲速巡航導(dǎo)彈的研究中,大膽采用了多種以整體成型為核心的先進(jìn)復(fù)合材料成型技術(shù),包括RTM共固化技術(shù)、RTM整體成型技術(shù)、整體模壓技術(shù)等。巡航導(dǎo)彈復(fù)合材料艙段、復(fù)合材料整體彈翼、復(fù)合材料進(jìn)氣道油箱艙體一體化結(jié)構(gòu)3種典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已成為主要發(fā)展方向。(2)結(jié)論雙馬-酚醛一體化復(fù)合材料從該技術(shù)本身而言,國(guó)內(nèi)無論是傳統(tǒng)的熱壓罐、模壓技術(shù),還是新開展的RTM技術(shù),相應(yīng)的BMI樹脂和成型工藝均很成熟,具備了工程應(yīng)用的條件。在高馬赫數(shù)飛行的巡航導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)上,雙馬樹脂基復(fù)合材料可以通過與外層熱防護(hù)層相結(jié)合的方式組成耐高溫多結(jié)構(gòu)特性復(fù)合材料。其中的典型代表是雙馬-酚醛一體化復(fù)合材料,它在未來彈道-巡航組合式導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)上將發(fā)揮獨(dú)特的作用。這種彈道-巡航組合式導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)包含了“再入”和“巡航”,打破了傳統(tǒng)意義上戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的界限,要求彈體結(jié)構(gòu)材料需要同時(shí)具備承載和耐熱雙重作用,雙馬-酚醛一體化復(fù)合材料中內(nèi)層的雙馬復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)部分,外層的酚醛復(fù)合材料作為燒蝕型熱防護(hù)材料,整個(gè)結(jié)構(gòu)一次RTM成型、共固化,避免了二者界面結(jié)合問題,是一種耐高溫多結(jié)構(gòu)特性復(fù)合材料,能充分實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)耐熱與承載的高效統(tǒng)一。是未來巡航導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)的一個(gè)很有前景的研究方向。(3)新一代競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)天線罩兼具透波和結(jié)構(gòu)的雙重功效,是重要的巡航導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)部分。亞聲速巡航導(dǎo)彈的天線罩已發(fā)展較為成熟,以環(huán)氧樹脂為主。新的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)集中在以超聲速巡航導(dǎo)彈為代表的高性能耐熱、寬頻透波天線罩。中國(guó)的巡航導(dǎo)彈采用環(huán)氧樹脂、雙馬-酚醛一體化基體碳纖維復(fù)合材料制作巡航導(dǎo)彈的彈頭、巡航導(dǎo)彈復(fù)合材料彈翼、艙段、進(jìn)氣道油箱艙體一體化結(jié)構(gòu)、天線罩、頭艙、前設(shè)備艙、后設(shè)備艙、尾艙等。3ny98環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在飛機(jī)上的使用在近400飛機(jī)上的應(yīng)用在一般有機(jī)碳中國(guó)研發(fā)的碳纖維織物增強(qiáng)5224環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)在直升機(jī)上得到了大量的使用,單向碳纖維增強(qiáng)的NY9200環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在近400架飛機(jī)上應(yīng)用,另外,在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上開始采用的BA9916和5228環(huán)氧樹脂基體系,這些應(yīng)用所沉淀的工程經(jīng)驗(yàn)均可以為國(guó)內(nèi)大型飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)選材提供有益的參考和借鑒。3.1cd大客機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn)C919和空客A320、波音737外形相似,與C919競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)型是占據(jù)中國(guó)航空市場(chǎng)半壁江山的波音737和空客A320,然而,如果要論承載旅客的數(shù)量和載重的真正之“大”,波音787飛機(jī)和空客A350才是與C919持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)的兩款雙通道飛機(jī)機(jī)型。而由中航承擔(dān)中國(guó)民用航空大飛機(jī)80t級(jí)的C919飛機(jī)零部件也在加緊生產(chǎn)中,將如期交付中國(guó)商飛集團(tuán)。C919與空客A320、波音737最大的區(qū)別在機(jī)頭,傳統(tǒng)的機(jī)頭是由正面兩塊以及側(cè)面4塊擋風(fēng)玻璃組成,而C919少了側(cè)面兩塊擋風(fēng)玻璃,國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的機(jī)頭更具流線型,能減少阻力,同時(shí)駕駛員在駕駛艙的視野也比傳統(tǒng)的機(jī)頭更加寬闊。從這一點(diǎn)就可看出,國(guó)產(chǎn)大客機(jī)將更強(qiáng)調(diào)省油和經(jīng)濟(jì)性。C919的確擁有很多優(yōu)勢(shì)。C919從機(jī)頭、機(jī)翼到機(jī)尾、發(fā)動(dòng)機(jī),在設(shè)計(jì)上都費(fèi)盡心思,盡量減小阻力,有效降低油耗。在使用材料上,C9