航空航天材料_制造技術(shù)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(jié)構(gòu)創(chuàng)新帶來(lái)更多可能
2019年，麻省理工學(xué)院和梅蒂斯設(shè)計(jì)公司（Metis Design Corp）合作，展示一種“非熱壓罐”復(fù)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(guò)程的限制。使用傳統(tǒng)熱壓罐工藝的缺點(diǎn)主要包括能量效率差、操作成本高、固化時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)被固化的復(fù)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(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了用于傳導(dǎo)性固化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的碳納米管加熱裝置，去除了熱壓罐，與傳統(tǒng)固化復(fù)合材料方法相比，實(shí)現(xiàn)等效的熱物理和機(jī)械性能同時(shí)，還進(jìn)一步減少了近60%的固化時(shí)間，能量消耗減少了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這一工藝創(chuàng)新將有助于通過(guò)利用納米工程層壓材料的功能特性，如傳感、結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)和防冰系統(tǒng)等，設(shè)計(jì)和制造新一代多功能航空航天結(jié)構(gòu)部件。
二、熱塑性復(fù)合材料耐熱性能獲得顯著提升
2019年7月，KAI有限責(zé)任公司、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校、澳大利亞墨爾本皇家理工大學(xué)、阿科瑪公司和西華盛頓大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展了一項(xiàng)研究，利用高溫熔融纖維制造技術(shù)，開(kāi)發(fā)了五種獨(dú)特的超高性能聚合物，這五種新牌號(hào)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(yīng)用。此項(xiàng)研究的主要目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一類(lèi)材料和增材制造工藝，以期在未來(lái)大幅降低空間飛行器熱保護(hù)系統(tǒng)的制造和裝配成本。所有的五種超高性能熱塑性復(fù)合材料均能夠在每平方厘米100瓦熱通量的氣動(dòng)熱測(cè)試堅(jiān)持30秒而不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和分解。根據(jù)熱重分析焦炭產(chǎn)率結(jié)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(shí)驗(yàn)研究，科研人員還利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析了在各種情況下獲得的樣品之間的熱傳遞，并與實(shí)驗(yàn)獲得的材料進(jìn)行了對(duì)比。
三、陶瓷基復(fù)合材料制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破
2019年2月，Nanoarmor公司和美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室制造出了70%致密的用于增材制造碳化鋯復(fù)合材料。這種超高溫陶瓷材料又稱(chēng)UHTC，可提供卓越的性能，在飛機(jī)前緣和發(fā)動(dòng)機(jī)部件在等承受極端高溫平臺(tái)中將獲得廣泛的應(yīng)用前景。現(xiàn)有耐火陶瓷難以提供足夠的機(jī)械性能和熱性能以應(yīng)付極端服役環(huán)境，除此之外，現(xiàn)有材料對(duì)應(yīng)的制造方法也難以適應(yīng)高性能航空航天系統(tǒng)前緣組件對(duì)結(jié)構(gòu)訂制化、成本效益化的要求。
Nanoarmor公司、海軍研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)發(fā)的新技術(shù)可用于生產(chǎn)低成本UHTC碳化鋯陶瓷基復(fù)合材料與納米結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)件，可在高溫和機(jī)械應(yīng)力下最大化密度、硬度和耐久性?；诰酆衔?/span>反應(yīng)結(jié)合的合成機(jī)理，從金屬前軀體與富含碳元素的高焦炭產(chǎn)率樹(shù)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(xiàng)技術(shù)是無(wú)壓力的，并采用了一步反應(yīng)熔體滲透工藝，可將陶瓷混合物在1400℃下轉(zhuǎn)化為致密的訂制樣式。這項(xiàng)技術(shù)與現(xiàn)有的替代方案相比具有更顯著的成本優(yōu)勢(shì)。研究人員用金屬、纖維、納米碳纖維和第二陶瓷相來(lái)增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，以提高其機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)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(shí)現(xiàn)具有可調(diào)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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