復合材料與航空航天

1、復合材料與航空航天 復合材料與航空航天摘要 摘要先進復合材料(advanced composite materials ,ACM)成功地用于航空航天領域僅有 20 多年的歷史.它具有比強度比模量高、可設計性強、抗疲勞性能好、 耐腐蝕性能優(yōu)越以及便于大面積整體成型等顯著優(yōu)點,在飛機上已獲得大量應用。作為 21 世紀的主導材料,先進復合材料的用量已成為飛機先進性,乃至航空航天 領域先進性的一個重要標志 ,是世界強國競相發(fā)展的核心技術 ,也是

2、我國的重點發(fā)展領域。 本文介紹了復合材料在航空航天上的發(fā)展狀況， 其后討論了目前復合材料使用上存在的問題，如碳纖維質(zhì)量差，成本高，針對這些問題，本文最后著重敘述了先進的碳化硅陶瓷纖維的制備方法，特點，以及 NL-200 陶瓷級纖維在航空航天上的使用。關鍵詞： 關鍵詞：復合材料 碳化硅陶瓷纖維 航空航天1 先進復合材料現(xiàn)狀 先進復合材料現(xiàn)狀復合材料是指由兩種或兩種以上具有不同物理、化學性質(zhì)的材料，以微觀、介觀或宏觀等不同的結(jié)構尺度與層次，

3、 經(jīng)過復雜的空間組合而形成的一種多相固體材料。先進復合材料(Advanced Composite Materials)指的是在性能和功能上遠遠 超出其單質(zhì)組分性能與功能的類新材料。 它是國防軍工和國民經(jīng)濟發(fā)展最重要的一類工程材料，也是應用于飛機、火箭、衛(wèi)星、飛船等航空航天飛行器的理想材 料。 根據(jù)美國航空航天局(NASA)的劃分， 航空航天所使用的各種先進復合材料可以分為以下幾種：樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料以及碳/碳

4、復合材料等[1]。 1.1.1 1.1.1 先進樹脂基復合材料 先進樹脂基復合材料先進樹脂基復合材料是以高性能纖維為增強體、高性能樹脂為基體的復合材料.與傳統(tǒng)的鋼、 鋁合金結(jié)構材料相比,它的密度約為鋼的 1/5,鋁合金的 1/2,且比強度與比模量遠高于后二者.目前用途最廣的主要有碳纖維復合材料(ＣＦＲＰ)和芳綸纖維復合材料(ＡＦＲＰ).ＣＦＲＰ具有比強度高、耐高溫、減振性好、耐 疲勞性能優(yōu)越等突出優(yōu)點 ,是目前民用飛機上用量最大 ,也是

5、航空航天等尖端科技領域發(fā)展較為成熟的先進復合材料[2].ＡＦＲＰ熱穩(wěn)定性好,耐介質(zhì)性能優(yōu)良,可作為復合裝甲材料,有較強的防護力.國外近年致力于將該種材料用于制作軍、民用飛機的“光譜屏蔽“材料,其關鍵性能指標———抗沖擊性能相當出色. 1.1.2 1.1.2 金屬基復合材料 金屬基復合材料金屬基復合材料主要是指以Ａｌ、Ｍｇ等輕金屬為基體的復合材料.在航空和宇航方面主要用它來代替輕但有毒的鈹. 這類材料具有優(yōu)良的導電性能、 導熱性能、耐高溫

6、性能，橫向性能、低消耗和優(yōu)良的可加工性能。近 20 年來，鎂基、 鋁基、鈦基等輕質(zhì)金屬基復合材料在航空航天高技術領域起到了支撐作用［3］ ，SiC 晶須增強的鋁基復合材料薄板將用于先進戰(zhàn)斗機的蒙皮和機尾的加強筋，鎢纖維增強高溫合金基復合材料可用于飛機發(fā)動機部件， 石墨/鋁、 石墨/鎂復合材料具有很高的比剛度和抗熱變形性，是衛(wèi)星和宇宙飛行器用的良好的結(jié)構材料。 美國航天航空局采用石墨/鋁復合材料作為航天飛機中部長 20m 的貨艙架。這類材

7、料具有優(yōu)良的橫向性能、低消耗和優(yōu)良的可加工性,已成為在許多應用領域最具商業(yè)吸引力的材料,并且在國外已實現(xiàn)商品化.而在我國僅有少量批量生產(chǎn),以 汽車及機械零件為主,年產(chǎn)量僅 5000 噸左右,與國外差距較大[4].2000 年以來,歐美等發(fā)達國家的先進復合材料在航空上用量有很大的飛躍,這其中的原因是多方面的,而科學合理的設計理論與方法也是其中的重要因素。我國首先要解決的是設計理念上的問題。主承力結(jié)構件上大量用復合材料,需要設計師接受和信賴

8、復合材料。 其次是設計理論問題。 復合材料的性能分散性和環(huán)境依賴性使其設計問題相當復雜,設計準則和結(jié)構設計值的確定還很保守。現(xiàn)有的方 法需要大量試驗,造成復合材料的制備成本高、 周期長,性能測試難度大、 費用昂貴。設計、制備、評價和使用過程中獲得的每一個材料性能數(shù)據(jù)都彌足珍貴。因 此,建立長期的開放式的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)十分必要。3.4 3.4 先進復合材料結(jié)構的安全與可靠性評價 先進復合材料結(jié)構的安全與可靠性評價復合材料結(jié)構形式、 服役載荷及

9、使用環(huán)境都相當復雜及初始缺陷影響和損傷最終導致材料破壞與結(jié)構失效的機制復雜。因此,建立復合材料有效性能試驗表征與評價體系,發(fā)展高精度的預報理論與方法 ,有效預測復合材料結(jié)構長時服役環(huán)境下的性能蛻變規(guī)律 ,給出科學合理的復合材料結(jié)構失效判據(jù) ,定量化評價復 合材料結(jié)構的可靠性和安全性,是復合材料工作者面臨的重要課題。3.5 3.5 重視發(fā)展規(guī)劃 重視發(fā)展規(guī)劃國外航空航天結(jié)構中先進復合材料用量不斷增加,急劇上升。隨著新一代飛行器的發(fā)展,特別

10、是新一代衛(wèi)星、 大運載火箭、 近空間飛行器和大飛機的發(fā)展,先進復合材料與應用將越來越重要。 國家應從需求及復合材料科學與技術本身規(guī)劃復合材料可持續(xù)發(fā)展問題,可以從復合材料與金屬、 高分子、 無機材料同等重要,并且是航空航天四大材料(復合材料、鋁、鈦、鋼)的角度,制定相關計劃并動員社會 力量推進復合材料可持續(xù)發(fā)展。 重點解決先進復合材料研制中的共性和關鍵問題,發(fā)展我國的優(yōu)勢和精品系列材料,通過國家與企業(yè)協(xié)同支持,自主創(chuàng)新,使我國成為復合材

11、料的強國。4 碳化硅陶瓷纖維 碳化硅陶瓷纖維碳纖維是一種高強度、高模量材料 ,理論上大多數(shù)有機纖維都可被制成碳纖維 , 實際用作碳纖維原料的有機纖維主要有三種，但其原絲質(zhì)量差、生產(chǎn)規(guī)模小、質(zhì)量低、價格高、應用基礎研究薄弱等問題仍很嚴峻。陶瓷纖維是由天然或人造無 機物采用不同工藝制成的纖維狀物質(zhì), 也可由有機纖維經(jīng)高溫熱處理轉(zhuǎn)化而成,除具有優(yōu)異的力學性能外, 還具有抗氧化、 高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點 。 碳化硅纖維(SiCf)是用于金屬基 、陶

12、瓷基復合材料的一種重要的高性能增強陶瓷纖維。與碳纖維相比, SiCf 在抗拉強度、抗蠕變性能、 抗氧化性以及與陶瓷基體相容性 方面表現(xiàn)出一系列的優(yōu)異性能。 4.1 4.1 SiCf SiCf 的制備 的制備4.1.1 4.1.1 化學氣相沉積法 化學氣相沉積法化學氣相沉積法 (CVD),即在連續(xù)的鎢絲或碳絲芯材上沉積碳化硅 。 通常在管式反應器中用水銀電極直接采用直流電或射頻加熱, 把基體芯材 (鎢絲或碳絲)加熱到 1 200℃以上,

13、通入氯硅烷和氫氣的混合氣體 , 經(jīng)反應裂解為碳化硅 ,并沉積在鎢絲或碳絲表面 。 目前有美國達信系統(tǒng)公司 、 法國國營火藥炸藥公司、英國石油公司和我國中科院金屬所等在開展此項工作。 4.1.2 4.1.2 先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法 先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法 (PIP)是以有機聚合物(一般為有機金屬聚物 )為先驅(qū)體, 利用其可溶可熔等特性成型后, 經(jīng)高溫熱分解處理,使之從有機化合物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機陶瓷 材料的方法。1975 年日本的矢島教授等 [9]首