浅析芳纶纸蜂窝材料

  • 2019-02-28
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为获得最好的结构性能和经济效益,飞机在结构设计中不断追求高减重、低成本和长寿命,而芳纶纸蜂窝材料因其轻质高强、耐火、高韧性等突出性能被广泛采用,成为重要的轻量化复合材料之一。本文介绍了芳纶纸蜂窝材料的结构特点、材料性能和应用,阐述了芳纶纸蜂窝材料的重要性和发展现状。

  摘要:为获得最好的结构性能和经济效益,飞机在结构设计中不断追求高减重、低成本和长寿命,而芳纶纸蜂窝材料因其轻质高强、耐火、高韧性等突出性能被广泛采用,成为重要的轻量化复合材料之一。本文介绍了芳纶纸蜂窝材料的结构特点、材料性能和应用,阐述了芳纶纸蜂窝材料的重要性和发展现状。

  芳纶纸蜂窝材料是一种以芳纶纸为原料,仿造蜂巢结构制成的具有特殊结构的复合材料,具有质轻、强度大、刚度高等特性以及缓冲、隔热、隔音和绝缘等功能,被广泛应用于航天航空、轨道交通等高科技领域。

  什么是蜂窝材料?

  蜂窝材料是一种低密度蜂窝状材料,用作夹层结构的芯材,其性能取决于材料、孔格形状和尺寸等。科学家通过对蜂房的研究发现相邻的房孔共用一堵墙和一个孔底,可以节省材料;正六边形的房孔能够给予蜜蜂合适的空间。航天器设计师将蜂窝结构应用到了飞机制造上,先将金属制成蜂窝,然后在用两块金属板把它加起来就成了蜂窝夹层结构,这种结构具有高强度、质量轻、耐冲击、较好的隔音和隔热性能等优点。蜂窝夹层结构复合材料已经大量应用于飞机制造,如机翼、机身尾翼、雷达罩及地板、内饰等。

  

A:蜂窝夹层板;B:面板;C:蜂窝芯

图1 蜂窝夹层结构示意图

(资料来源:中国知网)

  高端装备制造材料向轻量化发展,芳纶纸蜂窝材料代替金属窝芯

  芳纶纸蜂窝以对位芳纶纸或间位芳纶纸为原料,模仿蜂巢结构,经过涂胶、切割叠板、拉伸定性、浸胶和固化等步骤制得。芳纶纸蜂窝材料具有结构稳定、轻质、比强度高、剪切强度强、高韧性、耐高温等特性。

  飞机的结构设计不断追求减重,轻质的复合材料成为新一代飞机结构材料的发展方向,目前已将复合材料的用量作为评价飞机制造先进程度的重要指标。早期的蜂窝夹层结构材料大多数使用金属窝芯,随着制造技术的改进以及高端装备结构材料的轻量化发展,芳纶纸蜂窝材料具有轻质高强的特性,且比金属蜂窝更耐腐蚀,替代了金属窝芯在航空航天的应用。

  表1 芳纶纤维材料和传统航空结构材料的性能对比

  

  (资料来源:公开资料整理)

  飞机、导弹、火箭、航天器的机体、机翼、舱壁、舱门、舷梯、仪器板、地板、隔热板、整流罩以及高速列车的内壁、天花板、行李箱均可采用芳纶纸蜂窝材料。

  表2 芳纶纸蜂窝应用案例

  

  (资料来源:公开资料整理)

  目前来说,我国复合材料的应用距离发达国家还有较大差距,总体上处于第二代水平,国外大约在第三代水平,2017年C919大型客机约采用了30%的复合材料,而国外先进机型复合材料应用比例为50%,我国复合材料的发展还有很长一段路要走,而作为重要复合材料之一的芳纶纸蜂窝,还有较大的提升空间。

  芳纶纸的国产化不断推进,将推动芳纶纸蜂窝材料发展

  芳纶纸蜂窝材料的原材料以美国杜邦公司生产的Nomex间位芳纶纸和Kevlar对位芳纶纸为主,在全球范围内市场占有率较高。而国产芳纶纸生产技术不断取得突破,以华南理工大学和陕西科技大学为首的几家科研单位不间断的对芳纶纸进行研发,烟台民士达、深圳昊天龙邦、超美斯(原圣欧芳纶)等企业已经能够生产与杜邦公司产品的功能、外观相近的芳纶纸,成为我国芳纶蜂窝纸复合材料发展的有利保障之一。我国目前也出现了几十家芳纶纸蜂窝生产企业,其中发展较好的有中航复合材料和特一新材,中航生产的蜂窝材料在航空领域市场占有率接近100%,而特一新材是中国商飞的唯一芳纶蜂窝材料供应商,商飞的C919大型客机就应用了特一生产的芳纶纸蜂窝材料。

  结语

  芳纶纸蜂窝材料是高端装备轻量化的重要复合材料之一,在航空航天、交通轨道领域具有重要的战略意义。得益于芳纶纸的不断发展,我国的芳纶纸蜂窝材料也正在努力缩小与发达国家的差距。


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