航空航天材料_制造技術向低成本、高性能、多功能方向發(fā)展
2020-01-14
一、“非熱壓罐”工藝為航空航天結構創(chuàng)新帶來更多可能
2019年，麻省理工學院和梅蒂斯設計公司（Metis Design Corp）合作，展示一種“非熱壓罐”復合材料固化工藝，這種工藝擺脫了傳統(tǒng)基于熱壓罐固化過程的限制。使用傳統(tǒng)熱壓罐工藝的缺點主要包括能量效率差、操作成本高、固化時間長，且對被固化的復合材料零部件幾何外形有一定約束。2019年8月，聯(lián)合研究團隊驗證了用于傳導性固化復合材料結構的碳納米管加熱裝置，去除了熱壓罐，與傳統(tǒng)固化復合材料方法相比，實現(xiàn)等效的熱物理和機械性能同時，還進一步減少了近60%的固化時間，能量消耗減少了近兩個數(shù)量級。研究團隊認為，這一工藝創(chuàng)新將有助于通過利用納米工程層壓材料的功能特性，如傳感、結構健康檢測和防冰系統(tǒng)等，設計和制造新一代多功能航空航天結構部件。
二、熱塑性復合材料耐熱性能獲得顯著提升
2019年7月，KAI有限責任公司、德克薩斯大學奧斯汀分校、澳大利亞墨爾本皇家理工大學、阿科瑪公司和西華盛頓大學聯(lián)合開展了一項研究，利用高溫熔融纖維制造技術，開發(fā)了五種獨特的超高性能聚合物，這五種新牌號分別是：SABIC PEI（聚醚酰亞胺） ULTEM 9085，RobozePEEK（聚醚醚酮），智能材料3D打印PEEK（聚醚醚酮），阿科瑪Kepstan 7002 PEKK（聚醚酮酮）和改性的PEI（聚醚酰亞胺）ULTEM 1010材料。這些材料可在低熱通量的航天器中應用。此項研究的主要目標是開發(fā)一類材料和增材制造工藝，以期在未來大幅降低空間飛行器熱保護系統(tǒng)的制造和裝配成本。所有的五種超高性能熱塑性復合材料均能夠在每平方厘米100瓦熱通量的氣動熱測試堅持30秒而不發(fā)生結構破壞和分解。根據(jù)熱重分析焦炭產(chǎn)率結果，Kepstan 7002PEKK（聚醚酮酮）的焦炭產(chǎn)率最高，為64%，而ULTEM 9085的焦炭產(chǎn)率最低，為43%。高焦炭率通常是指材料具有良好的燒蝕性能。除了實驗研究，科研人員還利用計算流體動力學分析了在各種情況下獲得的樣品之間的熱傳遞，并與實驗獲得的材料進行了對比。
三、陶瓷基復合材料制造技術實現(xiàn)突破
2019年2月，Nanoarmor公司和美國海軍研究實驗室制造出了70%致密的用于增材制造碳化鋯復合材料。這種超高溫陶瓷材料又稱UHTC，可提供卓越的性能，在飛機前緣和發(fā)動機部件在等承受極端高溫平臺中將獲得廣泛的應用前景。現(xiàn)有耐火陶瓷難以提供足夠的機械性能和熱性能以應付極端服役環(huán)境，除此之外，現(xiàn)有材料對應的制造方法也難以適應高性能航空航天系統(tǒng)前緣組件對結構訂制化、成本效益化的要求。
Nanoarmor公司、海軍研究實驗室聯(lián)合開發(fā)的新技術可用于生產(chǎn)低成本UHTC碳化鋯陶瓷基復合材料與納米結構的增強件，可在高溫和機械應力下最大化密度、硬度和耐久性?；诰酆衔?/span>反應結合的合成機理，從金屬前軀體與富含碳元素的高焦炭產(chǎn)率樹脂的壓縮粉末混合物中產(chǎn)生凈成型的碳化物，氮化物和硼化物。此外，這項技術是無壓力的，并采用了一步反應熔體滲透工藝，可將陶瓷混合物在1400℃下轉化為致密的訂制樣式。這項技術與現(xiàn)有的替代方案相比具有更顯著的成本優(yōu)勢。研究人員用金屬、纖維、納米碳纖維和第二陶瓷相來增強陶瓷基復合材料，以提高其機械強度、導熱性、抗氧化和耐燒蝕性。前軀體材料與聚合物粘合劑的共混物形成具有可控制粘度的懸浮液，從而可實現(xiàn)具有可調尺寸、訂制幾何形狀和特性的低成本快速原型件制造。
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來源：民機戰(zhàn)略觀察