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工程塑料及复合材料在航空航天领域的应用
来源: 作者: 发布日期:2020-05-06 阅读次数:45 关注度:0 被收藏数:0 评论数: 0
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 近年来,节能减排及轻量化趋势的发展,具有轻质、高强、高韧性、耐高低温、耐腐蚀等优异性能的工程塑料和树脂基复合材料在航空航天领域大显身手,与钢、铝合金和钛合金三大金属材料共同成为支撑航空航天业发展的基石。所谓复合材料主要是以高性能纤维作为加强体,用树脂作为基体,将纤维粘结在内部并固化成型的高性能塑料。

复合材料按使用要求大致分为结构复合材料和功能复合材料,在航空航天领域,目前和今后20-30年的发展主流是用于制造空天飞行器结构件的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP),在此基础上发展结构/功能一体化和智能化结构复合材料,以满足越来越先进的空天飞行器的要求。CFRP以其独特、卓越的物化性能,广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天领域。
复合材料在航空航天领域的应用现状
航空航天复合材料能够适应极端的飞行环境,比如高压强、冲击和冲击负载等。根据用途不同,航空复合材料可分为机身、航空发动机、飞机内部三种复合材料,应用于各种飞机机身结构。
作为大型商用飞机生产企业的美国波音公司和欧洲空中客车公司,两家企业在每架新机种上都在不断增加碳纤维的使用量。波音在第六代大型民用飞机787(梦想客机)的研制中,将复合材料的应用扩大到了50%,复材重约35吨,主翼以及舱体全部采用CFRP制造生产,因此波音787也被人们戏称为“塑料飞机”,堪称具有划时代意义。波音787飞机选用东丽(Toray)公司的Torayca 3900/T800S系列高增韧的环氧树脂基复合材料作为主承力结构用材,部分选用了赫氏(Hexcel)公司的HexMC 8552高增韧环氧树脂基复合材料来制造飞机的大窗框,HexPIy8552/AS4被选用来制造大型复合材料发动机罩等。
迫于客户的压力和波音787取得的市场成功,空客最新一代A350客机改名为A-350XWB,XWB意为超宽机身,全机结构复合材料用量比例上升到53%,是现在所有大型商用飞机中最高的。其中央翼盒和外翼盒均采用碳纤维复合材料制造,复合材料使用面积约达442㎡。赫氏为A350 XWB所有主结构提供HexPly®预浸料,使用的增强材料为HexTow®碳纤维。
波音、空客先后推出复合材料占结构比例50%以上的主力机型,意味着大型客机结构设计以复合材料为主要材料的时代已经拉开序幕。
目前大型客机的碳纤维复合材料用量占10-20%左右,小型商务机和直升飞机已占55%左右,军用飞机25%左右。尖端塑料复合材料主要用于军用飞机的机身、机翼壁板、机身尾段、平尾、垂尾、尾桨叶、方向舵等部位,大大降低了飞机自重。
2007年中国商用大飞机项目立项,10年后的2017年5月,首架中国自主研发的大飞机C919在上海试飞成功,它采用了多种碳纤维增强树脂基复合材料,单架飞机的用量超越16吨。但国产大飞机在复合材料的应用上还比较保守,公开的报导显示,复合材料的使用量约占C919飞机结构重量的20%。
在开发这款新型客机的过程中,中国商用飞机有限责任公司(COMAC)审慎选择材料的战略合作伙伴。德国赢创(Evonik)工业集团负责为C919客机提供由ROHACELL刚性泡沫材料精确定制的轻质结构,并开发出大型后压力框原型用于机身后段。基于PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)的ROHACELL复合材料不仅质量轻,而且刚性极佳,使机身更牢固,大大提高了飞机的安全性,并且降低了二氧化碳的排放量,可有效节省燃料,从而使飞机更加节能。
英国威格斯VICTREX公司成为C919唯一指定的PEEK生产商,其创新材料VICTREX PEEK聚醚醚酮被添加到中国商飞新一代飞机的合格产品目录(QPL)中以供使用,制造安全、易组装和更省油的飞机。创新材料VICTREX PEEK产品具有高强度/重量比、耐化学性、阻燃、低烟和无毒等优良性能,再加之可提供设计自由度以创建高度优化的部件和系统,在取代金属和其他塑料方面取得了重大跨越。
航空航天产业进入快速增长期,美国ASD Reports咨询公司去年底发布《航空航天复合材料市场分析报告》。报告预计航空航天复合材料市场总额将从2017年的268.7亿美元,以每年9.85%的速度稳步增长,到2022年可达429.7亿美元。

与金属材料相比,复合材料的成本较高,是限制先进复合材料在航空航天领域的应用和发展的主要原因之一,为此世界各国进行复合材料研究的各大公司都在对先进复合材料的制造工艺进行研究,提高先进复合材料的生产效率,以提高其成品率,以此降低先进复合材料的成本。另外如何使复合材料变得同金属材料一样可以回收再利用,是众多科学家亟待解决的问题。

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