熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的研究進(jìn)展

吳琨

摘要：本文介紹了熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的特點(diǎn)及預(yù)浸料的制備和成型工藝，說(shuō)明了熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用情況以及材料在發(fā)展過(guò)程中存在的問(wèn)題，并對(duì)今后的發(fā)展進(jìn)行了展望。

Abstract： This paper introduces the characteristics of thermoplastic resin matrix composites and the preparation and molding process of prepreg， explains the application of thermoplastic resin matrix composites in aviation and the problems existing in the development of the materials， and looks forward to the future development.

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;熱塑性樹(shù)脂;聚醚酰亞胺（PEI）;聚苯硫醚（PPS）;聚醚醚酮（PEEK）

Key words： composite materials;thermoplastics resin;PEI;PPS;PEEK

中圖分類(lèi)號(hào)：V258? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）09-0210-02

1? 概述

航空航天用復(fù)合材料主要有以下幾種：金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料以及樹(shù)脂基復(fù)合材料，其中樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，使用樹(shù)脂基復(fù)合材料制造飛機(jī)零部件比金屬材料的重量減輕20～30%，維修成本降低15～20%。因此，樹(shù)脂基復(fù)合材料的用量已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的指標(biāo)之一。根據(jù)樹(shù)脂受熱后的形態(tài)和性能，樹(shù)脂基復(fù)合材料分為熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料和熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料[1，2]。由于熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料制備工藝簡(jiǎn)單，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

隨著航空航天領(lǐng)域?qū)p質(zhì)和高性能材料需求的不斷提升，環(huán)氧、聚酯等傳統(tǒng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的需求，與這些熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料具有高抗沖擊和損傷容限、高韌性、良好的耐環(huán)境性和電性能、成型周期短、生產(chǎn)效率高、易修復(fù)、無(wú)需低溫貯存且無(wú)貯存期、廢品可回收再利用等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件之間可焊接成型，無(wú)需鉆鉚，可大大降低飛機(jī)的重量和制造成本，且結(jié)構(gòu)效率得到了提高[3]。目前，樹(shù)脂基復(fù)合材料中熱塑性復(fù)合材料已占到總量的 30%以上，并廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事、航空航天、汽車(chē)、建筑建材等行業(yè)[4]。

2? 熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料

熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料由熱塑性樹(shù)脂基體和增強(qiáng)相復(fù)合而成，根據(jù)樹(shù)脂及增強(qiáng)相的性能可將熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料分為通用型樹(shù)脂基復(fù)合材料和高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料。通用型樹(shù)脂基復(fù)合材料主要以玻璃纖維以及少量碳纖維作為增強(qiáng)相，并以通用型熱塑性樹(shù)脂如PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）等作為基體，這類(lèi)熱塑性樹(shù)脂制備工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短的特點(diǎn)，但由于熱變形溫度低，剛性差，因此這些熱塑性復(fù)合材料主要用于一般工業(yè)領(lǐng)域。高性能復(fù)合材料主要以碳纖維或芳烴纖維等作為增強(qiáng)相，以聚醚酰亞胺（PEI）、聚醚砜（PES）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）等高性能樹(shù)脂作為基體，這些樹(shù)脂基體主要為聚芳醚系列樹(shù)脂，其分子內(nèi)部具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，且具有優(yōu)異的耐熱性能、耐腐蝕和加工性能，特別是隨著新型芳香族熱塑性樹(shù)脂基體的不斷開(kāi)發(fā)，提高了復(fù)合材料整體的強(qiáng)度和剛度，且耐熱性和耐環(huán)境性也得到了提高，使得熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空航天、軍事國(guó)防、電子、醫(yī)療及能源等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，成為復(fù)合材料領(lǐng)域異常活躍的研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)[3]，如以波音和空客為代表的航空制造企業(yè)紛紛開(kāi)展相關(guān)的技術(shù)研究，著力研發(fā)高性能熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)件，并在一些服役機(jī)型、試驗(yàn)機(jī)型上進(jìn)行了應(yīng)用研究，隨著先進(jìn)的熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料制造技術(shù)的快速發(fā)展，尤其以自動(dòng)鋪帶、自動(dòng)鋪絲以及連續(xù)壓縮模塑等快速和低成本的成型工藝代表了航空領(lǐng)域熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造的發(fā)展方向[4]。

熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料主要有三種材料形式：熱塑性單向帶、織物預(yù)浸料和增強(qiáng)熱塑性層壓板，其制備一般分為兩步：預(yù)浸料的制備和產(chǎn)品的成型。目前預(yù)浸料制備方法主要有溶液浸漬法、熱熔法、粉末浸漬法和懸浮-熔融法等。熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的成型方法參照熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料和塑料成型工藝，按照所用的設(shè)備分別分為注塑成型、熱壓成型、RTM成型、纖維纏繞成型、自動(dòng)鋪放成型等，其中纖維纏繞成型高效、穩(wěn)定，波音和空客已成功應(yīng)用纏繞成型技術(shù)制造熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料制品[5]。

3? 熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用

3.1 熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用

在民用航空領(lǐng)域中，安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保是首要考慮的因素，熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料解決了這一迫切需要。目前，民用航空領(lǐng)域使用的熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料主要包括PEI、PES、PPS和PEEK等4種。

PEI主要應(yīng)用在方向舵、升降舵機(jī)翼后緣、壓力艙壁板、貨艙地板夾層結(jié)構(gòu)面板和機(jī)翼整流罩等某些小且簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)件方面，如福克100、彎流V采用玻璃纖維/PEI和碳纖維/PEI用于制造貨地板;彎流IV采用碳纖維/PEI用于制造方向舵肋;彎流V的增壓隔框也采用了碳纖維/PEI;空客A340-500和A340-600的帶檢查口蓋前緣分別采用了玻璃纖維/PEI和碳纖維/PEI，A330-200的方向舵前緣翼肋也采用了碳纖維/PEI[6]。