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“层间功能化”提升复合材料层间韧性和导电性

更新于:2016-07-21   来源:中航工业复材   点击:230次

关键词: FIT技术  CFRP  


  较之金属材料,碳纤维复合材料具有可设计性,更高的比强度、比刚度等诸多优势。复合材料在民用飞机上的使用已经成为衡量飞机先进性的标准之一,以及凸显市场竞争力的重要砝码。例如,空客A350XWB客机结构中,复合材料使用比例就达到53%,是目前现役大型民用飞机中比例最高的。

  碳纤维复合材料的优势相对于金属材料已经显而易见,但复合材料本身也有它的劣势,例如,导电性能较差,抗冲击损伤性能较差等。另外,复合材料受到损伤后,在维护过程中不易被发现。从设计角度来说,飞机要把外壳体设计成为电磁屏蔽的(EMI)。金属本身具备导电性能,在飞机上常使用的碳纤维增强复合材料主要由碳纤维和树脂构成。碳纤维本身是导电的,但热固性树脂本身的绝缘性造成了复合材料的导电性能减弱。

  针对复合材料自身结构所存在的缺陷和弊端,业内在不断摸索和研究解决方案。目前,空客使用类似于搭铁的方法(Electric bonding)保证电磁屏蔽。所谓“搭铁”原理,就是通过喷砂、粘接等工艺,将复合材料表面铺设铜网或铝箔等金融物质,使零部件表面的电导率大幅提升。在防雷击方面,目前空客使用的技术是被业内广泛使用的金属表面层技术。当遇到雷击等损伤时,金属表面层把能量吸收,作为牺牲层被气化。通过这项技术的应用,可以提升复合材料的导电性,但是弊端也显而易见,即金属的使用将会给飞机增重。

  中航工业复材科技委主任益小苏提出的名为“层间功能化”(FIT)的解决方案同时提升了复合材料层间的韧性和导电性。

  FIT技术源于一种用于提升层间冲击容限的增韧技术,称为离位增韧(ES),此项技术同样由益小苏发明。简单来说,FIT技术就是向树脂区引入增韧效果的热塑网络结构,并进行预处理,并在其所有的纤维上附载纳米尺度的导电线状材料,再将处理过的热塑性网络转入复合材料的层间区域。最终,采用FIT技术制造的复合材料板同时具有优良的抗冲击性能和出众的面内及厚度方向电导率。上述性能提升使得FIT复合材料可以成功抵御电击。

  益小苏和空客公司的工程师进一步发现,连续性的热塑性网络不仅是一种有效的柔性增韧剂,恰好也是在富树脂区域构建导电通路的理想媒介。通过FIT技术,可对热塑性网络进行预处理,并在其所有的纤维上附载纳米尺度的导电线状材料,再将处理过的热塑性网络转入复合材料的层间区域。至此,在FIT复合材料层合板内部,导电的热塑性网络和本体导电的碳纤维丝束在板的厚度方向逐层堆叠,组合成全厚度的导电框架。最终,采用FIT技术制造的复合材料板同时具有优良的抗冲击性能和出众的面内及厚度方向电导率。FIT复合材料板的性能远超空客前期提出的技术指标,其中复合材料各个向方向的电导率至少提高了一个数量级。上述性能提升使得FIT复合材料可以成功抵御电击。

在前期科研阶段,在空客的帮助下,益小苏对FIT技术进行了实验室工程评测。接下来将进一步深化合作,力争将研究成果早日实现产业化应用。


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