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1、·jIl：i堂工呈￡H叢QLQ魚YE8Q叢工——航空領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：特種纖維及其應用。在航空制造發(fā)展的過程中，復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，先進的軍用飛機復合材料用量比重正逐年增大。先進的民用客機，如空客
2、系列，其復合材料用量也迅速增加。復合材料在空中客車中的應用比例逐年遞增，這也代表了未來民用客機獨特的技術發(fā)展方向。預計今后復合材料的用量將超過飛機總重量的50％，復合材料的用量已成為衡量飛機先進性的重要標志。130航空制造技術·2014年第15期飛機結構復合材料化不但改變了飛機結構設計和制造的傳統(tǒng)，也將對特種高性能玻璃纖維材料的應用提出更高的要求。在航空領域，無論是民用客機還是軍用飛機都使用了高性能玻璃纖維增強的復合材料，這種材料具有優(yōu)良的力學性能，優(yōu)異的抗疲勞和耐腐蝕性，優(yōu)良的透波介電性能，可實現(xiàn)20％．30％的結構
3、減重，其結構有利于整體設計和制造，可在提高飛機結構效率和可靠性的同時，降低制造成本。據(jù)報道，歐洲空客公司最先進、最具代表性、也是采用復合材料比例最高的A380—800飛機，使用了高達30～35t的先進復合材料，主要是碳／環(huán)氧復合材料，也包括GLARE(玻璃纖維增強鋁)和玻纖／環(huán)氧復合材料。此外，還有30t玻纖／酚醛復合材料，用于飛機的內裝飾。玻璃纖維雖然在比強度、比模量方面與碳纖維有一定差距，但優(yōu)異的性價比也使其具有廣泛的應用。航空用特種高性能玻璃纖維的種類航空用特種高性能玻璃纖維的種類主要包括2大類，一類用于結構增強
4、的主、次承力結構件中，如GLARE層板、直升機旋翼等；一類是應用在有特殊電性能要求的功能結構件中，如機頭罩、天線罩和雷達罩等。使用的玻璃纖維主要為高強玻璃纖維、石英玻璃纖維和無堿玻璃纖維。此外，玻璃微纖維作為隔音隔熱材料也在航空領域得到了應用。(1)高強玻璃纖維。按照國際標準IS02078對玻璃纖維分類定義，有2類高機械強度的玻璃纖維，一是S級高強玻璃纖維；另一類是R級高強玻璃纖維。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類高強玻璃纖維在國外均有制造和應用。s級高強玻璃纖維由美國OCV公司發(fā)明于20世
5、紀60年代，商品牌號為s一2，R高強玻璃纖維由法國Saint—gobain公司發(fā)明，目前聯(lián)手OCV公司經營；國內主要是s級高強玻纖，如中材科技股份有限公司定型生產的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、高溫過濾方面有著廣泛的應用。石英玻璃纖維的介電常數(shù)和介質損耗系數(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)秀的機械性能，使它成為雷達罩、電磁發(fā)射窗口和低介電透波部件的首選材料。
6、(3)特種無堿玻璃纖維。無堿玻璃纖維在航空復合材料上應用是以精細織物預浸料為主，單纖維直徑不大于9¨m，這類玻璃纖維織物經緯密度高，要求布面平整度高且外觀質量好。制成的復合材料除具有良好的耐腐蝕和電絕緣性能外，還具有較強的抗層間剪切撕裂性能。由于碳纖維復合材料與鋁合金組合應用時會發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現(xiàn)象，可采用玻璃纖維復合材料對碳纖維復合材料與金屬件之間進行隔離或防護。(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，經過濕法、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)、耐高溫、容重低、良好的耐堿性、抗熱振性等優(yōu)點。特種高性能玻璃纖維的具體應用(1)主承力結構件。旋翼槳葉作為直升機的主要振源之一，主要承受高周低應力疲勞，為此旋翼槳葉的設計既要考慮動力學設計，又要考慮槳葉的疲勞細節(jié)設計。復合材料旋翼槳葉主要由槳葉大梁、槳葉蒙皮、后緣條、槳葉內腔填充泡沫或蜂窩及前緣防蝕包片等組成。對于槳葉大梁，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、度的主要貢獻者，并且要求具有高的抗沖擊性能、通常選用高強玻璃粗紗帶。歐洲直升機公司采用R高強玻璃纖維，美國一般采用S一2玻璃纖維，我國直升機旋翼系統(tǒng)復合材料目前采用國產高強(HS4)玻璃纖維。旋翼槳葉蒙皮是槳葉的升力面和扭轉、擺振剛度的主要貢獻者，承受部分離心力和彎矩，通常采用碳纖維與玻璃纖維增強復合材料混合鋪層，主要以±45。鋪
