当今先进复合材料广泛应用在现代航空器上,如波音 787 飞机复合材料用量达到了 50%,国产大飞机 C919 机身结构复合材料用量也已超过 10%。高性能复合材料具有非均质性和各向异性的特点,其按树脂基分为热固性复合材料和热塑性复合材料两大类,热固性复合材料是目前飞机结构上主要应用的高性能复合材料,但其成本较高,工艺周期较长,不利于环保等因素,影响了其在飞机上的广泛应用。
而热塑性复合材料(Thermoplastic Composites)是指以短纤维或连续纤维增强热塑性树脂复合而成材料的统称(简称 FRTP)。在20世纪中页,R.Bradt[3]就以短纤维作为增强相制备玻璃纤维增强聚丙烯复合材料,到了 80 年代出现了长纤维和连续纤维增强热塑性复合材料。其与热固性复合材料相比,具有以下优势[4-8]:密度较小,但强度和韧性较高;物化性能和力学性能都具有可设计性;耐热性能和耐化学腐蚀性能优异;不受电磁作用,不反射无线电波,具有较好的电性能;其自身可多次成型;工艺周期短等优势,因此热塑性复合材料在航空航天领域受到了广泛的关注。
在20世纪60年代,热塑性复合材料就引起欧洲、美国、日本的重视并取得大量的突破性进展,波音以及空客公司在飞机蒙皮、整流罩、平尾等部件上应用了热塑性复合材料[9-11];20 世纪 70 年代美国 Philips 公司[12]开发出聚苯硫醚(PPS)并进行产业化生产;20 世纪 80 年代,热塑性复合材料预浸料的研究在美国有了重大突破,同时连续纤维的出现进一步提高了产品的力学性能,这都为热塑性复合材料在飞机上的应用奠定了坚实基础。在飞机的结构件中,热塑性树脂基体主要有聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK),其在飞机上应用情况如下[14-19]:PEI 被应用于福克 50及 100 的舱内地板及起落架舱门,A320 货舱地板夹层结构面板和 A330、A340 机翼的整流罩;PPS 则应用在 A330 的副翼肋、方向舵前缘部件,A340-600 和 A380 的副翼肋、方向舵前缘部件等;PEEK 也被应用于波音 787 的吊顶部件。
我国的热塑性复合材料研究始于 20 世纪 80 年代末期,在 30 多年的发展历程中也逐步解决了关于热塑性复合材料在飞机上应用的一些相关问题,但与发达国家相比依然存在着一定的差距。由此可见,在现代航空器主流的结构材料中,热塑性复合材料已逐步取代热固性复合材料成为当今最具有潜力的高性能复合材料之一。
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