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)的軍用飛機復(fù)合材料用量比重正逐年增大。先進(jìn)的民用客機，如空客

2、系列，其復(fù)合材料用量也迅速增加。復(fù)合材料在空中客車中的應(yīng)用比例逐年遞增，這也代表了未來民用客機獨特的技術(shù)發(fā)展方向。預(yù)計今后復(fù)合材料的用量將超過飛機總重量的50％，復(fù)合材料的用量已成為衡量飛機先進(jìn)性的重要標(biāo)志。130航空制造技術(shù)·2014年第15期飛機結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化不但改變了飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的傳統(tǒng)，也將對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(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)計和制造，可在提高飛機結(jié)構(gòu)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(jìn)、最具代表性、也是采用復(fù)合材料比例最高的A380—800飛機，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，用于飛機的內(nèi)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(yīng)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(jié)構(gòu)增強

4、的主、次承力結(jié)構(gòu)件中，如GLARE層板、直升機旋翼等；一類是應(yīng)用在有特殊電性能要求的功能結(jié)構(gòu)件中，如機頭罩、天線罩和雷達(dá)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(lǐng)域得到了應(yīng)用。(1)高強玻璃纖維。按照國際標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用。s級高強玻璃纖維由美國OCV公司發(fā)明于20世

5、紀(jì)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(jīng)營；國內(nèi)主要是s級高強玻纖，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(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)特種無堿玻璃纖維。無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)用時會發(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(yīng)用(1)主承力結(jié)構(gòu)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(yīng)力疲勞，為此旋翼槳葉的設(shè)計既要考慮動力學(xué)設(shè)計，又要考慮槳葉的疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計。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(fù)合材料目前采用國產(chǎn)高強(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復(fù)合材料混合鋪層，主要以±45。鋪