航空領(lǐng)域用特種高性能玻璃纖維材料.pdf

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1、·jIl：i堂工呈￡H叢QLQ魚(yú)YE8Q叢工——航空領(lǐng)域用特種高性能玻璃纖維材料SpecialandHighPerformantGlassFiberMaterialUsedbyAviationField中材科技股份有限公司特種纖維事業(yè)部張焱祖群張焱博士，中材科技股份有限公司特種纖維事業(yè)部工程師。研究方向：特種纖維及其應(yīng)用。在航空制造發(fā)展的過(guò)程中，復(fù)合材料已成為航空工業(yè)不可或缺的一種材料，與鋁合金、鋼和鈦合金3大金屬材料共同成為支撐航空事業(yè)發(fā)展的基石。目前，先進(jìn)的軍用飛機(jī)復(fù)合材料用量比重正逐年增大。先進(jìn)的民用客機(jī)，如空客

2、系列，其復(fù)合材料用量也迅速增加。復(fù)合材料在空中客車(chē)中的應(yīng)用比例逐年遞增，這也代表了未來(lái)民用客機(jī)獨(dú)特的技術(shù)發(fā)展方向。預(yù)計(jì)今后復(fù)合材料的用量將超過(guò)飛機(jī)總重量的50％，復(fù)合材料的用量已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。130航空制造技術(shù)·2014年第15期飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化不但改變了飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的傳統(tǒng)，也將對(duì)特種高性能玻璃纖維材料的應(yīng)用提出更高的要求。在航空領(lǐng)域，無(wú)論是民用客機(jī)還是軍用飛機(jī)都使用了高性能玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，這種材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，優(yōu)異的抗疲勞和耐腐蝕性，優(yōu)良的透波介電性能，可實(shí)現(xiàn)20％．30％的結(jié)構(gòu)

3、減重，其結(jié)構(gòu)有利于整體設(shè)計(jì)和制造，可在提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率和可靠性的同時(shí)，降低制造成本。據(jù)報(bào)道，歐洲空客公司最先進(jìn)、最具代表性、也是采用復(fù)合材料比例最高的A380—800飛機(jī)，使用了高達(dá)30～35t的先進(jìn)復(fù)合材料，主要是碳／環(huán)氧復(fù)合材料，也包括GLARE(玻璃纖維增強(qiáng)鋁)和玻纖／環(huán)氧復(fù)合材料。此外，還有30t玻纖／酚醛復(fù)合材料，用于飛機(jī)的內(nèi)裝飾。玻璃纖維雖然在比強(qiáng)度、比模量方面與碳纖維有一定差距，但優(yōu)異的性價(jià)比也使其具有廣泛的應(yīng)用。航空用特種高性能玻璃纖維的種類(lèi)航空用特種高性能玻璃纖維的種類(lèi)主要包括2大類(lèi)，一類(lèi)用于結(jié)構(gòu)增強(qiáng)

4、的主、次承力結(jié)構(gòu)件中，如GLARE層板、直升機(jī)旋翼等；一類(lèi)是應(yīng)用在有特殊電性能要求的功能結(jié)構(gòu)件中，如機(jī)頭罩、天線罩和雷達(dá)罩等。使用的玻璃纖維主要為高強(qiáng)玻璃纖維、石英玻璃纖維和無(wú)堿玻璃纖維。此外，玻璃微纖維作為隔音隔熱材料也在航空領(lǐng)域得到了應(yīng)用。(1)高強(qiáng)玻璃纖維。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS02078對(duì)玻璃纖維分類(lèi)定義，有2類(lèi)高機(jī)械強(qiáng)度的玻璃纖維，一是S級(jí)高強(qiáng)玻璃纖維；另一類(lèi)是R級(jí)高強(qiáng)玻璃纖維。前者是指硅鋁鎂系統(tǒng)玻璃拉制的，后者是硅鋁鈣鎂系統(tǒng)玻璃，這2類(lèi)高強(qiáng)玻璃纖維在國(guó)外均有制造和應(yīng)用。s級(jí)高強(qiáng)玻璃纖維由美國(guó)OCV公司發(fā)明于20世

5、紀(jì)60年代，商品牌號(hào)為s一2，R高強(qiáng)玻璃纖維由法國(guó)Saint—gobain公司發(fā)明，目前聯(lián)手OCV公司經(jīng)營(yíng)；國(guó)內(nèi)主要是s級(jí)高強(qiáng)玻纖，如中材科技股份有限公司定型生產(chǎn)的HS2和HS4。(2)石英玻璃纖維。石英玻璃纖維作為一種電絕緣性、耐溫性、機(jī)械性能極優(yōu)的特種纖維，在航空、航天、軍工、高溫隔熱、高溫過(guò)濾方面有著廣泛的應(yīng)用。石英玻璃纖維的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗系數(shù)是所有礦物纖維中最低的，在高溫和高頻率下，它的電絕緣性也表現(xiàn)得非常優(yōu)秀。再加上低密度、不吸濕性和優(yōu)秀的機(jī)械性能，使它成為雷達(dá)罩、電磁發(fā)射窗口和低介電透波部件的首選材料。

6、(3)特種無(wú)堿玻璃纖維。無(wú)堿玻璃纖維在航空復(fù)合材料上應(yīng)用是以精細(xì)織物預(yù)浸料為主，單纖維直徑不大于9¨m，這類(lèi)玻璃纖維織物經(jīng)緯密度高，要求布面平整度高且外觀質(zhì)量好。制成的復(fù)合材料除具有良好的耐腐蝕和電絕緣性能外，還具有較強(qiáng)的抗層間剪切撕裂性能。由于碳纖維復(fù)合材料與鋁合金組合應(yīng)用時(shí)會(huì)發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，可采用玻璃纖維復(fù)合材料對(duì)碳纖維復(fù)合材料與金屬件之間進(jìn)行隔離或防護(hù)。(4)玻璃微纖維制品。玻璃微纖維制品采用單纖維平均直徑在3¨m以下的微纖維為基體材料，經(jīng)過(guò)濕法、干法成氈或外覆特制的玻璃纖維布縫合而成。根據(jù)使

7、用要求，微纖維可以是無(wú)堿、玄武巖、高硅氧、石英等玻璃纖維，微纖維制品具有不燃(A級(jí))、耐高溫、容重低、良好的耐堿性、抗熱振性等優(yōu)點(diǎn)。特種高性能玻璃纖維的具體應(yīng)用(1)主承力結(jié)構(gòu)件。旋翼槳葉作為直升機(jī)的主要振源之一，主要承受高周低應(yīng)力疲勞，為此旋翼槳葉的設(shè)計(jì)既要考慮動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，又要考慮槳葉的疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。復(fù)合材料旋翼槳葉主要由槳葉大梁、槳葉蒙皮、后緣條、槳葉內(nèi)腔填充泡沫或蜂窩及前緣防蝕包片等組成。對(duì)于槳葉大梁，它是槳葉的主承力件，通常采用0。鋪層或纏繞方式組成。由于承受了大部分離心力和彎矩，它是槳葉抗拉剛度、揮舞及擺振剛

8、度的主要貢獻(xiàn)者，并且要求具有高的抗沖擊性能、通常選用高強(qiáng)玻璃粗紗帶。歐洲直升機(jī)公司采用R高強(qiáng)玻璃纖維，美國(guó)一般采用S一2玻璃纖維，我國(guó)直升機(jī)旋翼系統(tǒng)復(fù)合材料目前采用國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)(HS4)玻璃纖維。旋翼槳葉蒙皮是槳葉的升力面和扭轉(zhuǎn)、擺振剛度的主要貢獻(xiàn)者，承受部分離心力和彎矩，通常采用碳纖維與玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料混合鋪層，主要以±45。鋪