第6期 陈祥宝等:先进树脂基复合材料技术发展及应用现状 十几层或数十层材料组成,具有吸波频带较宽的特点。纳米碳管显著提高先进树脂基复合材料Z方向的导电性 北京航空材料研究院研制的碳纤维和 Kevlar纤维混杂增(Z向电导率大于1σ°S/α表面电阻<10°8t)和 强层合结构吸波复合材料,当厚度(410?011)mm在导热性(Z向导热系数为110W/#K左右)到 8~18(z的反射率[-10dB并且具有较高的力学性 目前纳米复合材料研制中还存在一些关键技术有待 能;°夹层结构吸波复合材料。夹层或夹芯结构吸波复解决“,主要包括如下几个方面:1纳米材料的分 合材料主要以透波性能好、强度较高的玻璃纤维或有机散技术。由于纳米颗粒间范德华力的强烈作用使粒子间 纤维增强复合材料作为面板,其芯材为浸渍有吸波介质的团聚现象明显,使纳米粒子很难均匀分散于树脂基体 的蜂窝或泡涞沫。北京航空材料硏究院硏制的A夹层结构中。目前已经发展了低速剪切、高速剪切、超声分散以 吸波复合材料和C夹层结构吸波复合材料,在2~及添加工艺改性剂等多种方法,上述方法一般需要添加 4(H颜率范围内反射率小于-6皿4~6(H颜频率范溶剂进行分散,溶剂的加入明显影响了工程应用。°纳 围内反射率小于-8dB6~8(H颜频率范围内反射率小米材料与树脂基体的界面问题。由于纳米碳管等材料表 于-10皿8~18(频率范围内反射率小于-12d面主要为碳烯层,与有机基体之间的界面结合较弱,因 具有优异的宽频吸波性能13。 而需要发展碳纳米管表面改性方法以提高碳纳米管与基 为了满足航空装备发展的要求,结构吸波复合材料体之间的界面性能。》纳米材料的定向排列技术。为了 需要进一步提高低频吸波性能、使用温度和力学性能,显著提高碳纳米管的改性效果,需要将碳纳米管进行定 因此结构吸波复合材料研制必须引入新的吸波机制,发向排列。但由于纳米碳管尺寸小,难以定向排列,目前 展耐高温树脂基体和使用性能更高的增强材料。 还难以做到对碳纳米管取向的有效控制。 414碳纳米管改性复合材料 5先进树脂基复合材料技术在航空工业的 碳纳米管改性复合材料已经成为先进复合材料技术 研究最活跃的前沿领域之一。碳纳米管改性连续纤维增 应用 强复合材料将在保持复合材料优异的比强度、比模量和先进树脂基复合材料在应用过程中不断积累应用经验, 可设计性强的基础上,力学性能和导电导热性进一步提提高技术水平,完善配套技术,从非承力构件整流蒙皮 高。美国 WRIGHT PATTERSON空军基地与代顿大学研逐渐发展到承力构件尾翼、机翼,从简单结构层合壁 究所(UDR联合研制了电导率在10°~10S/m之间板,逐渐发展到整体复合材料结构尾翼和机翼。图13 可调的碳纳米管改性树脂基复合材料,Z向导热系数也是空客公司大型客机应用先进腊荃复合材料的历程。 由013W加#K左右提高到110W加#K左右,并且具 先进树脂基复合材料在飞机上的应用可以实现 有力学性能优异、耐久性好以及低温可加工性等优点。1‰%~30%减重,可有效降低飞机的结构重量,提高飞 北京航空材料硏究院通过在碳纤维增强复合材料中引入机的机动性能和有效载荷等。飞机结构复合材料化已经 Integrated enging case Aileron htP box ated Pressure frame Integrated elevator tab Elevator tab +F +VTP bo Resistamce board 仓。 价 A330-30 A300/B A320-20 A340-600/50 图13空客不同机型树脂基复合材料的应用状况 Fel 13 A ppl eatm history res n2based com posite ofA ibus civil a crafts第 6期 陈祥宝等: 先进树脂基复合材料技术发展及应用现状 十几层或数十层材料组成, 具有吸波频带较宽的特点。 北京航空材料研究院研制的碳纤维和 Kevlar纤维混杂增 强层合结构吸波复合材料, 当厚度 ( 410 ? 011 )mm, 在 8~ 18 GH z的反射率[ - 10 dB, 并且具有较高的力学性 能; º夹层结构吸波复合材料。夹层或夹芯结构吸波复 合材料主要以透波性能好、强度较高的玻璃纤维或有机 纤维增强复合材料作为面板, 其芯材为浸渍有吸波介质 的蜂窝或泡沫。北京航空材料研究院研制的 A夹层结构 吸波复合材料和 C 夹层结构吸波复合材料, 在 2 ~ 4 GH z频率范围内反射率小于 - 6 dB, 4~ 6 GH z频率范 围内反射率小于 - 8 dB, 6~ 8GH z频率范围内反射率小 于 - 10 dB, 8~ 18 GH z频率范围内反射率小于 - 12 dB, 具有优异的宽频吸波性能 [ 36- 37]。 为了满足航空装备发展的要求, 结构吸波复合材料 需要进一步提高低频吸波性能、使用温度和力学性能, 因此结构吸波复合材料研制必须引入新的吸波机制, 发 展耐高温树脂基体和使用性能更高的增强材料。 414 碳纳米管改性复合材料 碳纳米管改性复合材料已经成为先进复合材料技术 研究最活跃的前沿领域之一。碳纳米管改性连续纤维增 强复合材料将在保持复合材料优异的比强度、比模量和 可设计性强的基础上, 力学性能和导电导热性进一步提 高。美国 WR IGHT PATTERSON 空军基地与代顿大学研 究所 (UDR I)联合研制了电导率在 10 - 6 ~ 10 2 S/ cm 之间 可调的碳纳米管改性树脂基复合材料, Z向导热系数也 由 013W /m# K左右提高到 110W /m# K左右, 并且具 有力学性能优异、耐久性好以及低温可加工性等优点。 北京航空材料研究院通过在碳纤维增强复合材料中引入 纳米碳管显著提高先进树脂基复合材料 Z 方向的导电性 ( Z向电导率大于 10 - 10 S / cm, 表面电阻 < 10 10 8 /t )和 导热性 ( Z向导热系数为 110W /m# K左右 ) [ 38- 39]。 目前纳米复合材料研制中还存在一些关键技术有待 解决 [ 40- 43] , 主要包括如下几个方面: ¹纳米材料的分 散技术。由于纳米颗粒间范德华力的强烈作用使粒子间 的团聚现象明显, 使纳米粒子很难均匀分散于树脂基体 中。目前已经发展了低速剪切、高速剪切、超声分散以 及添加工艺改性剂等多种方法, 上述方法一般需要添加 溶剂进行分散, 溶剂的加入明显影响了工程应用。 º纳 米材料与树脂基体的界面问题。由于纳米碳管等材料表 面主要为碳烯层, 与有机基体之间的界面结合较弱, 因 而需要发展碳纳米管表面改性方法以提高碳纳米管与基 体之间的界面性能。»纳米材料的定向排列技术。为了 显著提高碳纳米管的改性效果, 需要将碳纳米管进行定 向排列。但由于纳米碳管尺寸小, 难以定向排列, 目前 还难以做到对碳纳米管取向的有效控制。 5 先进树脂基复合材料技术在航空工业的 应用 先进树脂基复合材料在应用过程中不断积累应用经验, 提高技术水平, 完善配套技术, 从非承力构件整流蒙皮 逐渐发展到承力构件尾翼、机翼, 从简单结构层合壁 板, 逐渐发展到整体复合材料结构尾翼和机翼。图 13 是空客公司大型客机应用先进腊荃复合材料的历程。 先进树脂基复合材料在飞机上的应用可以实现 15% ~ 30%减重, 可有效降低飞机的结构重量, 提高飞 机的机动性能和有效载荷等。飞机结构复合材料化已经 图 13 空客不同机型树脂基复合材料的应用状况 F ig1 13 A pplication h istory resin2based composite ofA irbu s civil a ircrafts 9