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航空航天树脂基复合材料增韧材料--纳米纤维层间增韧薄膜

发布日期:2020-06-04 作者:大连义邦科技 浏览数:14059
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纤维增强的聚合物复合材料正在迅速普及,成为飞机、航天器、卫星、导弹制造的首选材料。特别是,近年来,已在全球多个航空航天项目中用作主要结构材料,碳纤维具有耐腐蚀、符合轻量化的发展趋势、低热膨胀系数等优点。碳纤维复合材料凭借优异的力学性能被越来越多地应用于航空航天工业。

 



航空领域:

      过去十年,在航空复合材料领域一直在降低成本,提高零部件性能并减轻零部件重量,复合材料现已在飞机中获得公认的地位,而碳纤维增强材料已成为辅助组件如(机翼活动翼,襟翼,扰流板,方向舵,直升机叶片,座椅,肋骨,室内装饰,舷窗,扶手等),并已进入主要结构组件,例如主翼,机尾,机身,完整的水平稳定器和垂直稳定器结构。已大量使用在波音787和空客A350、A380等。

 


航天领域:

      卫星结构对强度、刚度以及使用环境的要求与飞机结构有明显差别,卫星结构设计在满足强度的条件下主要解决刚度的问题,因此需要采用具有一定强度的高模量复合材料。

     目前已广泛用于航空航天,火箭,导弹和飞行设备及发射装置。

用作航空和航天器的结构材料,如(火箭排气锥,发动机罩与壳体;卫星结构,太阳能电池板和天线,运载火箭等)。

      碳纤维复合材料在导弹中用于舵面、天线罩、整流罩、进气道,导弹弹头,弹壳等。


      碳纤维复合材料具有重量轻,强度高和弹性模量高的特点。它可以将传统铝合金结构的重量减少30%。它对改善武器装备的性能做出了巨大贡献。它被广泛用于飞机机体,发动机,导弹壳等的制造。现在美国F-22和F-35战斗机的碳纤维复合材料比例分别为24%和36%,这使战斗机具有超高音速巡航,超视距作战,高机动性和隐身性的特点,以A350和波音787为代表的新型大型民用飞机碳纤维复合材料的比例超过50%。

       航空航天在利用碳纤维的特性不断地获得新的技术优势,但是碳纤维目前也面临着众多的挑战和障碍,其中最重要问题是分层。脱层是指复合材料层缓慢彼此分离的状态,在大多数情况下,分离是由于冲击和反复的循环应力造成的。除了分层以外,碳纤维在制造阶段时也可能会起皱。起皱导致纤维变硬,并且作为多米诺骨牌效应变弱。

 



       Xantu Layr纳米纤维薄膜可以用在碳纤维预浸料层间增韧,用于改善断裂韧性(抗分层性),冲击强度之后的压缩(损伤容限)和复合材料分层的抗疲劳强度。纳米纤维膜在层间区域充当脆性树脂基体的纳米级增强物质,最终形成更坚韧的树脂,在受到压力或冲击时不易发生微小裂纹

 


      新西兰公司Revolution Fibers已通过获得AS9100c认证,成为首家达到航空航天工业标准的纳米纤维生产商,这将使该公司能够进一步为其航空航天客户开发纳米纤维产品,已有合研项目在与空客一起进行。  

 

       确切的说,Xantu.Layr 不是复合材料中纤维增强的物质,而是作为树脂的增强剂。例如:代替树脂中使用的增强颗粒,Xantu.Layr可以作为树脂韧性增强物质放置于每一层预浸料或者增强纤维之间


     Xantu. Layr使用简便,适合190℃和260℃高温固化。通常有三种规格,重量分别为1.5gsm, 3.0gsm, 4.5gsm. 厚度分别为8μm,16μm和24um,标准宽度为1m,也可根据实际应用进行定制。

 

      通过实验,使用Xantu. Layr的预浸料在为易脆的树脂提供纳米级的增强膜来改善复合材料的性能,纳米纤维很容易被树脂浸湿,由于增强了疏水性,不会吸收水分,避免基体产生空隙,有效提高了复合材料层合板的抗分层特性、冲击强度之后的压缩和抗疲劳特性。

 

 


      第三代复合材料中普及推广了层间增韧的技术, 目前有3种增韧技术用于碳纤维预浸料,分别为颗粒增韧、薄膜增韧和纳米纤维增韧。与其他一些常用的增韧系统不同,复合材料的物理和机械性能,如温度、层间剪切强度、弯曲强度和模量、拉伸强度和模量,不会受到纳米纤维膜的影响。


      通过实验我们可以发现,使用不同规格的纳米纤维膜对复合材料层合板的断裂韧性有不同程度的提升,其中4.5gsm Xantu. Layr可以提升156%。复合材料的断裂韧性可提高69%,疲劳寿命提高394%。冲击后的压缩强度(CAI)即复合材料层合板的损伤容限能力显著提高,使用纳米纤维膜后,在冲击和压缩实验中纳米纤维膜吸收裂纹的能量,进而提升了CAI,通过实验数据可以发现,同一层合板在使用纳米纤维膜后冲击能量可以由10J增加到30J。

 


      实验结果表明,聚酰胺(PA66)纳米纤维膜Xantu. Layr 在几乎不增加任何厚度和重量的情况下,对于复合材料起到了增韧增强的作用。目前,Xantu. Layr可以用于航空航天、风电叶片、复合材料枪筒、体育竞技(如钓鱼竿、滑雪板)等民品行业。同时适用于需要打孔或剪切的复合材料结构件,做到局部增韧

 


      碳纤维作为先进的复合材料在航空航天领域的需求不断增长,甚至碳纤维应用的数量已成为衡量一个国家在航天领域发展水平的重要标志之一。纳米纤维膜作为继增韧颗粒之后的新一代复合材料韧性增强物质无疑为航空航天行业的发展起到了促进作用。







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