XIAOZHONGMING

摘要  本文介绍了纤维增强热塑性复合材料的特点及主要的成型工艺，并说明了其在航空航天上的应用，如军用飞机和民用飞机上的应用情况，最后总结了未来纤维增强热塑性复合材料的发展方向。


     关键词  热塑性复合材料;纤维;聚醚砜(PES);聚醚醚酮(PEEK);聚苯硫醚(PPS)


     1  引 言


     先进树脂基复合材料通常指的是采用高性能增强材料(如碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等)增强的树脂基复合材料，它具有质轻、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、工艺性好，容易制造大型结构和整体结构的特点，因此在航天航空领域具有重要的应用。航天航空用复合材料主要有以下几种:树脂基复合材料(耐热温度一般小于 425℃)、金属基复合材料(使用温度为 425 ～900℃)、金属间化合物基复合材料(主要用于 650 ～ 1200℃)、陶瓷基复合材料(工作温度为 1100 ～ 1650℃) 以及碳/复合材料(C/C，其工作温度在1800℃ 乃至更高一些)等，尤以树脂基复合材料在航空工业中的应用最为广泛。目前国内外新研制的飞机不但在水平安定面、副翼、垂尾等结构采用了复合材料，而且机身、机翼翼盒等主结构也采用复合材料，使得结构一体化程度高，系统安装较为简单、减少零部件数，缩短总装时间。复合材料非比寻常的物理特性和可设计性，以及近年来生产成本的降低，加速了飞行器结构选材从金属材料向复合材料转变的进程。复合材料的应用具有可使飞机结构减重 10% ～40%、结构设计成本降低15% ～30%的优势。20 世纪 80 年代后期以来，美国和欧洲针对低成本、轻重量复合材料结构技术经过了 TANGO 计划、ACT 计划、AST 计划等一系列的专项计划研究， 取得了显著的成果。例如在 AST 计划实施中，NASA与波音公司联合开展了先进低成本复合材料机翼技术研究，以机翼翼盒为研究对象，通过设计，制造和试验等一系列研究，验证了低成本复合材料翼盒的制造技术。这些成果逐渐应用于促使复合材料在航天航空飞行器主结构中的应用出现突破性进展。


     2   热塑性树脂基复合材料的特点


     按树脂类型的不同，树脂基复合材料分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。与热固性树脂基复合材料相比，热塑性树脂基复合材料具有以下特点1)优异的抗冲击韧性，耐疲劳损伤性能;(2)成型周期短、生产效率高;(3)纤维预浸料不必再低温下存放;(4)制品可重复加工、废旧制品可再生利用;(5)产品设计自由度大，可制成复杂形状、成型适应性广。在热塑性复合材料中，热塑性树脂起到固定纤维的作用，同时赋予材料特殊热性能、耐腐蚀性能及加工性能等。连续纤维主要承载外载荷，决定复合材料的力学性能，应用较广的纤维主要有玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等热塑性树脂的不断发展，特别新型芳香族热塑性树脂基体的不断发展，提高了复合材料的刚性、耐热性及耐介质性，使得热塑性复合材料在航空航天、医疗、电子、机械等领域得到了越来越广泛的发展和应用，成为复合材料领域异常活跃的研究开发热点。作为先进树脂基复合材料树脂基体的热塑性树脂主要有: 聚醚砜 (PES)、 聚醚醚酮 (PEEK)、 聚醚酰亚胺(PAI)、 聚苯硫醚(PPS)等。其主要性能见表 1。

     连续纤维增强热塑性复合材料具有很多的优点，但热塑性树脂，特别是用于制备先进树脂基复合材料的特种热塑性树脂熔点较高，熔体黏度大，一般在 100 Pa·s 以上，给复合材料的制备带来了困难。如美国 UCC 公司开发在 180℃下长期使用的聚砜(PSF)玻璃化温度 195℃;英国 ICI 公司开发的可在 200℃下长期使用的聚醚砜(PES)玻璃化温度 225℃，可在240℃聚醚醚酮(PEEK)，玻璃化温度143℃，熔点 335℃。因此开发适合热塑性树脂基体、高效的成型方法成为近年来热塑性复合材料研究的焦点之一。热塑性树脂基复合材料的制备一般分为两步:预浸料的制备和产品的成型。热塑性树脂常温下呈固态、熔较差、熔点高且熔体黏度大，因此制备预浸料的关键技术为解决树脂在纤维上均匀分布问题和树脂对纤维的连续浸渍问题。20 世纪80 年代初，由于解决了热塑性树脂与连续纤维的浸渍技术问题，纤维增强热塑性复合材料得到了迅速发展。目前主要的预浸料制备方法有溶液浸渍法、熔体浸渍法、粉末浸渍法、浆状树脂浸渍法和混编法等。热塑性复合材料的制件成型工艺主要有热压成型、纤维缠绕成型、辊压成型、拉挤成型等。其中纤维缠绕成型以其高效、稳定的特点使其应用越来越广泛。欧美一些发达国家已有一些缠绕成型的热塑性复合材料制品应用于航空航天及民用领域。

     3  先进热塑性树脂基复合材料在航天航空上的应用


     3． 1 在军机方面的应用


     先进热塑性树脂基复合材料以其优异的韧性、抗损伤性能、抗疲劳性能等，得到航空航天工业的青睐，尤其是在军用飞机上面。美国在先进热塑性树脂基复合材料方面具有强大的、全面的研究和生产基地，其发展速度远超其他国家。西欧国家在热塑性树脂基复合材料的研究、应用方面也具有较强的技术。如热塑性树脂基复合材料代表性树脂 －聚醚醚酮的供应与应用开发。军用飞机不断提高性能的需求有力地推动了先进热塑性树脂基复合材料的开发研究。


    美国 F － 22 战斗机上热塑性复合材料用量为10%。自 1980 年英国帝国化学公司(ICI)聚醚醚酮(PEEK)预浸料投放市场后成为航天航空最具实用价值的先进热塑性复合材料。研究人员将碳纤维增强聚醚醚酮(C/PEEK)和碳纤维增强的改性双马树脂(C/5250 －3)两种复合材料应用在 F －5E 和 T －38 飞机上，并在同样条件下进行飞行试验，结果表明热塑性树脂复合材料在抗分层和缺陷数量方面都远优于双马复合材料。PEEK 预浸料已经应用在F117A 的全自动尾翼，C － 130 机身的腹部壁板，法国阵风机身蒙皮等(表 3)。

     热塑性复合材料还具有很多特殊的功能。例如作为透波材料 PEEK、PEKK、PEK、PES 等树脂都具有比较好的雷达传输和介电透射特性，当雷达波透射到这些树脂基复合材料时，不容易形成爬行的电磁波。聚醚砜(PES)对雷达射线透过率极佳，目前雷达天线罩已用其代替过去的环氧制件。热塑性复合材料还具有极好的吸波性能，能使频率为0.1MHz～50GHz 的脉冲大幅度衰减，现在已用于先进战斗机(ATF)的机身和机翼，其型号为 APC(HTX)。另外 APC －2 是 CelionG40 －700 碳纤维与 PEEK 复丝混杂纱单向增强的品级，特别适宜制造直升机旋翼和导弹壳体，美国隐身直升机 LHX 已经采用此种复合材料。


     3． 2  在民机方面的应用


     在民用飞机方面，先进热塑性树脂同样具有重要的应用。如空客 A340/A380 飞机机翼前缘应用碳纤维增强的聚苯硫醚(PPS) 复合材料。首先将PPS 薄膜和碳纤维织物层通过热成型加工成一个具有弧度的部件，然后将其覆盖并固定在机翼前缘表面。ICI 公司利用 50% 长玻纤增强尼龙 66 制造飞机上的阀门，代替了原来使用的酚醛石棉复合材料，满足了飞机阀门在宽的温度范围内与燃料长期接触也能保持其性能和形状的要求。除了飞机外部零部件应用 PPS 外,飞机内部零件，包括座椅架，支架，横梁和进气管也应用用 PPS 复合材料。目前热塑性复合材料在航空领域的应用，已通过联邦航空规范条款 25．853 及客机技术标准条款 1000．001，用于飞机内部装饰件包括支架、门、窗等，以提高安全性。

     随着热塑性复合材料的发展，其在飞机上的应用范围也日益扩展。各国正在研究大型热塑性飞机主结构的可行性。如 2005 年空客公司与荷兰工业研究院所已联手在热塑性材料领域进行合作，发起名为热塑性非昂贵型飞机主结构(TAPAS)的项目，开发必要的热塑性复合材料技术，为未来的飞机项目制造大型主结构。开发的材料、生产工艺、设计概念以及工具必须达到技术准备 6 级水平(TRL)。与实物大小相同的样品作为该开发项目的一部分。面临的技术挑战包括:合适材料的开发及判定、对接以及生产技术，比如纤维焊接、 模压成型和纤维铺放。

     3． 3  在宇航方面的应用


     在宇航方面，热塑性复合材料的应用也越来越广。例如随着通讯遥感卫星的发展，要求增大光学口径以提高遥感器的分辨率。包括各种空间相机主光学系统的反射镜(球面和非球面的)和光机扫描型空间遥感器扫描镜。然而，用金属材料制成的反射镜均存在重量太大设计方案无法实现的困难的问题，而用热塑性复合材料可以得到有效解决。李元珍等人采用 AS4c 单向织物/PEEK 预浸料压制成的反射镜基板，复合PEEK 树脂制成反射镜，在 2.0 红外光谱段可达到反射率的要求，在 2um光谱段的反射率为 96% 以上，3.5um 光谱段的反射率为 96．89%。


     4  结 语


     热塑性复合材料以其独特的性能引起人们的广泛注意，其应用也日益广泛。未来热塑性复合材料的技术主要集中在以下几个方面1)合理的复合工艺。采用合理的复合工艺，提高材料性能与制备效率，降低生产成本;(2)高性能树脂基体的研究。提高热塑性基体的耐热性能、力学性能的同时，开发具有功能性的树脂基体，如高阻尼、高吸波性能的树脂基体，以赋予复合材料材料功能性;(3)界面层与界面层设计。通过合理的工艺与铺层设计，解决基体树脂与纤维界面结合不良的问题，提高纤维与树脂的界面匹配。