树脂基复合材料在航空航天领域的应用情况分析

  早期的飞行器结构由大量的木头、金属丝、织物等复合材料组成,随后铝合金在20世纪30年代占据了主要地位。但是木制结构直到第二次世界大战才出现,如蚊式轰炸机(DH98)机身由木制胶合板-轻木夹芯木制胶合板三明治结构组成,1937年DH91信天翁客机机身由夹层板-轻木夹芯-夹层板三明治结构组成,1940年喷 火战斗机机身由GordonAerolite材料设计并制造,该材料为酚醛树脂与亚麻纤维结合,被誉为是现代纤维增强塑料的先驱。

  目前民用飞机的应用主要集中在用纤维增强复合材料替代次承力结构件,增强材料有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或混杂纤维等,基体材料大多数为热固性环氧树脂,固化温度为125C或180C,其中后者固化系统由于具有较高的环境降解容限被广泛采用,典型的例子是波音757.767和777,空客A310、A320、 A330和A340。 A310装备了碳纤维复合材料垂直稳定器(8. 3m高、7.8米宽),相比之前用的铝合金部件重量降低了400kg。另外,碳纤维复合材料散热盒仅包含95个部件(不包括紧固件),而之前的金属散热盒有2076个部件,因此可以更容易的生产制造。

  A320将复合材料的应用扩展到了水平稳定器,同时增加了许多复合材料面板,使重量比铝合金外壳结构减少了800kg。据推测,每节省1kg重量可以节约燃料2900L/每年。A330、 A340、 A380使用了更多的树脂基复合材料,其机翼后缘面板采用了碳纤维-玻璃纤维增强复合材料,制造工艺也是采用- .种新的方法一-RFI,即将树脂膜放在碳纤维和玻璃纤维层之间,当层合板加热时,树脂膜融化实现对纤维的浸润,固化后形成最终的制品。A380机身顶部采用了铝合金/玻璃纤维复合材料混杂结构,降低了结构重量、增加了损伤容限、延长了疲劳寿命。新型波音787客机的机身、机翼、尾翼、舱门和内饰均由重量超过50%的复合材料组成,整个机身采用了碳纤维-环氧树脂体系,每一一个复合材料机身简是一个整体(约45英尺长),因而不需要50000个用于传统飞机制造的紧固件,使其成为第一个生产制造的复合材料客机。

  环氧树脂是航空航天领域中最常见的热固性树脂体系,它是指分子总含有两个或两个以上环氧基团的一类有机高分子化合物。其具有形式多、固化方便、工艺性好、收缩性小、尺寸稳定性好、机械性能好等特点,但其耐温性低(<150℃)、吸湿率高、脆性大等特点制约了其在某些主承力部件或发动机冷端结构上的应用,如机身、垂尾、平尾、发动机罩等。所以现在针对环氧树脂的改性主要在提高耐热性和韧性两方面进行。

  要想提高环氧树脂的耐热性能,一方面可以改变合成环氧树脂的原材料,合成出具有耐热结构的新型环氧树脂,如引入苯环、提高环氧树脂的官能度等。提高官能度可以提高环氧基团的含量,从而提高固化交联密度,提高耐热性。引入大量苯环可以使其具有较高的热变形温度和优良的热稳定性。另一方面可以使用双马来酰胺(BMI) 改性,由于BMI耐热性能好,利用其改性环氧树脂可以大幅度提高环氧树脂的粘合恰高度。当使用芳香二铵作为固化剂时,由于其可以与双马来酰胺树脂的双键进行加成扩链反应,破坏BMI的结晶性、提高其在环氧树脂中的溶解性,因此可以明显提高环氧树脂的耐热性能和韧性。除了上述方法外,要想提高环氧树脂的韧性,还可以加入一些弹性体增韧,如橡胶、聚氨酯等。