高分子复合材料在航空领域中的应用

仝安乾，王庆磊，康海刚

（1南京航空航天大学 江苏 南京 210000）

（2成都国营锦江机器厂 四川 成都 610000）

0 引言

近年来，航空工业的发展趋势是向高技术、高性能方向发展。高分子复合材料经过几年的发展，已经可以替代或部分替代传统金属与铝合金，其加工方法包括：热压、焊接、旋切、热成型、热压等。应用前景广阔，特别是在精密工程领域。高分子复合材料由于性能优良、经济实惠、耐蚀、绝缘、耐化学腐蚀、抗疲劳强度高等优异性能已被广泛使用，特别是在飞机发动机涡轮风扇叶片、飞机机翼等部位。本文将从高分子复合材料的概念、特点和在航空航天领域的具体应用来阐述。

1 高分子复合材料的概念

高分子复合材料是指由多个相互联系的高分子单元（如聚合物、半纤维素、低聚糖、聚合物基、聚碳酸酯、聚氨酯、尼龙、聚醚多元醇、热塑性树脂等）以共聚聚合反应为基本单元（其中共聚反应是高分子复合材料构成的重要特征）制备而成的一类新型材料[1]。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。高分子复合材料的分类及其应用技术是目前国际上主要的研究方向之一，它在增强、改性、防腐、耐热等方面有着广泛意义和巨大用途[2]。

2 高分子复合材料特点及属性

2.1 增强性

高分子复合材料是具有高强度、高模量、高耐热等特性的材料，是许多发达国家主要应用的复合材料品种之一。其中，高强度增强材料应用最广泛，主要包括金属纤维增强等。纤维增强方法包括表面处理法、分子束凝聚法等。无机材料的强度取决于其相变后物质结构的稳定性以及它们与基体之间的结合强度。结构越牢固、致密的复合材料，其材料的物理性质越稳定，材料的强度也就越高，这在机械加工过程中是一个重要指标。例如，一种树脂材料必须是完全刚性的（含键结），并且其分子链中无任何分子级配键结点，才能被拉伸而不破裂；而另一种树脂则必须是柔性、刚性、不会破裂的；而当树脂中含有一些共聚物时（如聚酰胺基共聚物等），其分子链中的某些部位可以结合成分子链式FPC，这些部位就会被拉伸而不破裂。正是由于这两种属性决定了合成树脂材料不一定能得到高强度、高硬度、耐磨性好、韧性高和良好绝缘性等优良特性。因此，合成树脂材料必须是具有较高强度、延伸率和良好性能的物质复合体。研究人员可以根据具体情况，采取不同方法制备高分子聚合物复合材料，并对其进行加工，以获得优良的性能。

2.2 防腐性

随着材料耐腐蚀性能的不断提高，越来越多的高分子复合材料被用于防腐领域。以聚碳酸酯为例，聚合物材料的耐腐蚀性能越好，其应用范围也越广。特别是聚碳酸酯复合材料被认为是继金属和塑料之后另一个应用范围最广、应用量最大的高分子材料。为了提高材料的耐腐蚀性能，可以采用热固性材料来制成有机高分子材料，如环氧煤沥青或煤焦油沥青；还可以通过对这些材料进行改性，从而使其具有耐酸碱性；改性过程中，可以引入催化剂、金属催化剂来提高材料耐腐蚀性能。

2.3 耐热性

耐热性，主要指在高温下能承受的温度变化能力。高分子复合材料耐热性能的好坏直接影响材料本身的性能，决定材料使用寿命。常用的耐热材料有陶瓷基复合材料、橡胶基复合材料以及硅橡胶、氟橡胶等高分子复合材料。耐热复合材料一般不耐高温热膨胀和热冲击。当加热到规定的温度时，材料会产生热胀或收缩。这就是FPC所具有的耐热性能和高温稳定性。由于复合材料具有很高的热固性和低温性能，因此，对复合材料进行适当增强可以获得良好的热稳定性或热变形温度。目前，大部分复合材料，尤其是以聚碳酸酯材料为主的复合材料，热缩性和热应力都很小。但这类材料也有一个缺点：在工作温度下需要承受较大的变形。高温是FPC材料最突出的特性之一，一般情况下，温度越高效果越好，比如高温条件下进行黏接性能试验就非常重要。另外，还需考虑其物理、化学性质。因为如果不能对FPC的应力进行适当缓冲处理的话，在使用过程中会出现较大的裂缝或裂纹。

2.4 化学稳定性

高分子复合材料在热固性介质中熔融或半熔融状态时，存在着化学稳定性，即胶体对其自身或环境反应的稳定性。这些变化是以共价键的强度和耐磨性为基础的。高分子材料的化学稳定性受胶体粒子数目和聚合物分子排列方向、固化剂配比、温度、溶剂和交联反应等多种因素的影响。这些因素可能与产品性质有关，也可能与生产工艺有关。因此，高分子材料作为一个整体，其化学稳定性受多个因素影响，特别是交联反应。在常温情况下，聚合物可以与多种物质反应；在合成状态，则对多种物质反应不稳定。通常交联反应的开始温度在200～300 ℃之间；在交联反应后，再进一步加热，使聚合物降解为稳定原子，所需时间在几分钟到几小时之间；在交联反应后，再继续加热，所需时间在几小时之间。这些都与树脂中所含物质的性质和配方有关，如聚丙烯腈溶液中存在着大量的氯离子和活性碳氢化合物，对聚合物的力学性能影响较大；如二元酸与二元胺类分子之间相互作用较强而又不稳定。这些情况都与不同胶体成分和交联方式有关。高分子材料在制备过程中，必须选用质量优、性质稳定、质量小、耐化学试剂腐蚀能力强的树脂来制备高分子复合材料。

2.5 力学性能与热冲击性能

复合材料的力学性能主要包括强度、刚度、硬度、耐磨性等，还包括耐热性等，而材料本身质量、厚度和形状对强度和硬度等都有较大影响。同时，材料自身尺寸效应也是重要因素之一。材料尺寸越大，其自身体积产生的变形量越大，其塑性、韧性也会随之降低。因此，要求有一定的塑性变形能力并具有一定的抗压强度、硬度、耐磨性及耐热性的高分子材料则十分重要。另外，在树脂溶液中加入适量的胶黏剂或增塑剂，也可以提高其力学性能和热冲击性能。高分子材料是典型的热加工过程中无定型制品。

3 高分子复合材料在航空领域中的应用

复合材料是指通过化学或物理方法将两种以上不同性质的材料按一定比例混合而成的新型建材、制品、系统及工艺过程。其作用在于：①提高构件质量；②减轻自重、简化设计，减少装配工序，缩短制造周期；③节省原材料，降低生产成本。它包括增强纤维、树脂、金属以及复合材料组成。

3.1 基于石墨烯开发的高分子复合材料在电磁屏蔽领域中的应用

电磁干扰（electromagnetic interferences,EMI）是电场回路产生电磁辐射信号的总称。当前，由于千兆赫电力设备及电磁通信设备的大量使用，电磁污染已经达到了前所未有的程度。传统的电磁场防护方法已无法满足日益增多的电子设备对电磁兼容性要求。因此，如何利用具有良好导电性能的材料来实现电磁屏蔽成为目前研究热点之一。石墨烯因其优异的导热性、高比表面积和较高的介电常数而被广泛应用于电磁屏蔽领域。但是，石墨烯作为一种新型的导电材料，其导热系数仅为碳纤维的1/2，且具有一定的脆性。因此，石墨烯的热膨胀系数与温度密切相关，从而影响到热导率。

3.2 基于石墨烯开发的高分子复合材料在航空器轻量化中的应用

降低航空器质量，实现航空器轻量化飞行，可以有效降低航空器燃料消耗，增加运量与航程，扩大航空器内部空间，降低排放对环境的污染问题，是提升航空器竞争力不可或缺的途径。本文以碳纤维为增强材料构建了一种新型的高性能碳基复合材料结构，并通过实验验证了该复合材料具有较好的力学性能和耐久性能，并且制备工艺简单、生产成本低，能够满足当前航空领域发展需求。主要研究内容及成果如下：（1）采用扫描电镜（SEM）分析碳纤维基体表面形貌以及微观组织特征；（2）采用扫描电子显微镜（DSC）观察碳纤维基体内部裂纹扩展规律，探讨其形成机理，提出了改进后的碳/芳纶复合纤维加固方法；（3）利用热重试验技术测试碳纤维复合材料热变形性能，发现两种不同材质的碳纤维复合材料均表现出良好的抗高温蠕变特性，且随着温度升高弹性模量逐渐减小；（4）针对现有加固方法存在的不足，设计了一种新的加固方式——热疲劳法加固碳纤维复合材料；（5）对加固前后碳纤维复合材料进行拉伸强度和断裂伸长率测试，结果表明加固前后复合材料抗拉强度都有一定程度提高，但应力应变曲线却没有明显改变，说明碳纤维复合材料本身就具备抗拉韧性；（6）将加固后的碳纤维复合材料放置于室温下反复加载10 min，结果显示经过加固后碳纤维复合材料抗压强度比未加固前有所提高。

3.3 基于钛基复合材料在增强飞机强度上的应用

钛基金属复合材料是由钛棒和钛板构成的航空复合材料。钛合金的强度高、韧性好，其表面粗糙度低，适用范围较宽，因此，钛合金有着广泛的应用[3]。钛基复合材料最早应用于军用战斗机上，用于制造喷气战斗机用涡轮风扇、螺旋桨、高温发动机壳体等构件。随着现代科学技术的发展，钛材具有良好的综合性能，如重量轻、比表面积大、耐腐蚀、耐高温、耐磨损等特点，因而成为航空航天领域中最有前途的材料之一。钛基合金已广泛应用于航天事业和原子能工业。由于钛基复合材料对环境要求严格，所以目前尚不能用于军事方面。

3.4 基于碳纤维及其复合材料在飞机机身的应用

碳纤维在航空领域应用广泛。在国外，随着世界经济一体化进程和科学技术水平提高，先进技术不断向民用方向转移，一些国家已经把发展高科技产业作为振兴本国工业、促进国民经济持续快速健康发展的重要手段之一。因此，研究新材料将是各国科技工作者所关注的问题。碳纤维复合材料具有比强度高、模量大、弹性模量低、导热系数小、抗疲劳性能好、耐腐蚀及耐高温等优点，已被广泛应用于航天飞机发动机中[4]。碳纤维以其优越的综合性能而成为高性能纤维的首选原料，目前主要有以下几种类型：①碳素结构钢（Q345B）：是用热固性碳制成的一种低合金钢，具有高强度、高韧性和良好的机械性能。②芳纶（FDY）：它是一类新型工程塑料，由于其独特的优异性能，近年来受到人们越来越多的重视。③玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料（CFRP）：这种复合材料因具有轻质高强、耐化学品腐蚀等特点，已逐渐取代传统钢材用于制造汽车轮箍、车架和各种结构件。④热塑性聚酯增强水泥混凝土：该产品属非金属材料，可以替代钢铁或铝、铜等金属进行制作。⑤聚四氟乙烯（PTFE）：这种聚合物不仅重量轻、密度低，而且还有许多优良特性，如抗渗透、耐油、耐磨等，因而被广泛应用于建筑装饰工程中。⑥聚对苯二甲酸丁二醇酯（PET）：这是一种合成橡胶，可作建筑材料。

3.5 基于树脂基复合材料在航空发动机上的应用

目前，我国航空发动机已经进入到第三代战斗机时代，其主要特点是：结构尺寸不断缩小；材料性能日益提高，如使用新型高温合金代替现有的铝钛合金；工作环境更加恶劣；研制费用昂贵等。随着高性能纤维增强工程塑料（CFRP）技术的飞速发展，复合材料已成为未来军用航空发动机的重要组成部分。为了满足上述要求，必须采用先进的成型工艺来生产高质量的碳纤维预浸料，以降低原材料成本及加工难度。本文对碳纤维预浸复合层进行了研究，主要内容如下：（1）针对目前常用的热—机械法制备碳纤维预浸料存在着温度变化剧烈、能耗较高等缺点，提出利用化学气相沉积（CVD）方法将碳纤维通过化学镀或者热熔形成金属薄膜后再固化制得碳纤维预浸料的新工艺。该工艺不仅能有效地控制预浸料厚度以及力学性能的均匀性，而且还可以实现碳纤维与基体间良好的界面结合，从而达到低成本、高效率的目的。（2）针对热固相反应机理复杂，需要准确掌握反应过程中各步骤之间相互关系的问题，建立了基于颗粒动力学理论的复合材料模型。运用Monte Carlo模拟软件分别对模型求解得到不同条件下的温度场分布情况以及应力应变场特征曲线，并分析了影响因素及其作用规律，为后续的仿真实验提供理论依据。（3）为了验证所设计的建模算法的正确性，选取了典型的碳纤维预浸液体系作为试验对象，进行了相应的数值模拟计算，结果表明模型能够很好地拟合实际数据，并且计算结果与真实值吻合得比较理想，证明了所建立模型的合理性和可靠性。（4）在此基础上，进一步开展了碳纤维预浸复合材料基复合材料的强度优化研究，通过改变预浸料层内树脂含量和浸渍时间等参数，探讨了复合材料在预浸液中初始模量、抗拉强度、屈服极限、延伸率、弹性模量和泊松比等方面的变化规律，并给出相关公式。

3.6 其他复合材料在航空领域的应用

常用的复合材料有玻璃纤维、芳纶纤维、树脂、金属锂、镁及其合金、钴镍铬钛合金、不锈钢、耐热钢、高强度钢板、低合金钢、高温合金材料等均属于复合材料等。树脂是以聚酰胺（尼龙）为原料经熔融纺丝制得的合成物，具有强度高、韧性好、耐疲劳性优良、电绝缘性好等特点应用较为普遍[5]。由于这些材料具有各自独特的优点，因而广泛应用于航空、航天、船舶、汽车等许多行业。

4 总结

综上所述，近年来在国内的航空工业中应用了多种新型高分子复合材料，例如新型发动机舱（机翼上梁、机翼框）采用聚酰胺聚合物作为骨架，可承受高温部件的压力并具有较好的耐磨性和抗冲击性。采用聚酰胺类材料，能生产高质量的机壳结构件，使其比强度达到30%以上，同时还具有优良的机械性能、耐磨性、抗冲击性、耐热性及化学稳定性等优点，已成为发展高分子复合材料的重要方向。随着科学技术的不断发展，高分子复合材料将更加广阔地应用到国民经济建设中去，这将为我国航空工业注入新的活力。