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    新材料故事 | 航空航天復合材料:唯有創新才能持續發展

    來源:中國建材總院、哈玻院  發布時間:2022-08-24

    編者按

    當材料醒來的那一刻,它將成為你生活中的一段感受???、聽、觸摸......置身其中,材料無處不在。中國建材集團的能工巧匠們,實驗、堅守、創新,鍥而不舍,只為成就材料背后的可能,開發材料蘊含的寶藏。我們始終心懷“國之大者”,打造“國之大材”,服務國防建設、服務國家重大工程、服務國民經濟主戰場、服務人民美好生活......

    《新材料故事》,將用通俗易懂的話語,讓大家更好認識身邊無處不在的新材料,為大家講述我們與社會發展、人類生活齊步走的故事。

    復合材料科普

    復合材料是指由兩種或兩種以上不同性質的材料,通過物理或化學的方法,在宏觀(微觀)上組成具有新性能的材料。近代復合材料主要指人工特意復合而成的一種新型材料體系,成功制造要從1942年開始算起。第二次世界大戰期間,玻璃纖維增強聚酯樹脂基復合材料被美國空軍用于制造飛機構件。

    復合材料發展第一代

    1942——1960年,玻璃纖維增強塑料時代。

    復合材料發展第二代

    1960——1980年,先進復合材料發展時代,主要研究增強材料,英國研制碳纖維,美國研制了Kevlar纖維。碳纖維增強環氧樹脂、Kevlar纖維增強環氧樹脂復合材料用于飛機、火箭的主承力構件。

    先進復合材料:進入20世紀70年代,開發了一批如碳纖維、碳化硅纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能增強材料,并使用高性能樹脂、金屬與陶瓷為基體,制成先進復合材料(Advanced Composite Materials,簡稱ACM),是用于飛機、火箭、衛星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。

    復合材料發展第三代

    1980——1990年,纖維增強金屬基復合材料時代,其中鋁基復合材料應用最廣泛;同時陶瓷基復合材料也得到研究和發展。

    復合材料發展第四代

    1990——至今,多功能復合材料時代,壓電復合材料、導電復合材料、磁性復合材料、摩擦功能復合材料、阻尼功能復合材料、機敏復合材料和智能復合材料,得到了研究和發展。

    研發中的技術攻關

    在復合材料研制的道路上從來沒有坦途,只有依靠堅強意志和不懈堅持。上世紀60年代中期,“干法立式”纏繞工藝適用于制造玻璃鋼發動機燃燒室殼體技術才成定論,干法工藝雖然有點明顯,但對殼體幾何的適應性有一定的限制,預浸材料制造工藝難度較大。相反,濕法工藝適應性強,基體材料的選擇范圍較寬,用途廣泛,哈玻院選擇濕法纏繞工藝作為研究重點,當時濕法工藝涉及的技術難題并不比干法少,在某些方面難度更大,無前路可循,只能靠自己蹚出一條路,要花更大的力氣,流更多的汗水。

    1966年,哈玻院開始研制新型的發動機殼體,1967年哈玻院研制大直徑的玻璃鋼殼體,對纏繞機、芯模和工藝參數等方面都是嶄新的課題,技術上難度之大,可想而知。到上世紀70年代末,哈玻院解決了層間或界面的粘接劑和粘接工藝,最終解決了絕熱包覆技術問題。從上世紀80年代初至今,幾十年間,哈玻院針對玻璃鋼殼體氣密性問題形成完整解決方案,研制的玻璃鋼殼體的可靠性大幅提升。1985年,哈玻院研制的固體火箭玻璃鋼發動機殼體,通過國家建材局和航天工業部主持的部級技術鑒定。1988年,哈玻院承擔了我國火箭用玻璃鋼燃燒室殼體的研制任務。在前期研制基礎上,進一步完善和改進發動機殼體芯模結構,包覆工藝和纏繞工藝,使殼體性能提高到一個新水平。在反噴管技術、工藝精度控制和質量保證技術方面也有新的突破。1990年7月19日,哈玻院研制的SPTM-14玻璃鋼殼體用于運載火箭系統的衛星變軌發動機,參加了我國大推力捆綁式火箭的首次發射試驗,成功通過了飛行考核,這是我國玻璃鋼燃燒室殼體制造領域的重大突破,為我國進入國際衛星發射市場做出了貢獻。

    復合材料網格加筋結構是由加強筋與蒙皮組成,加強筋形式多種,由一體成型的縱橫筋、正多邊形網格筋到由各種截面形狀的加強肋與蒙皮后裝配成型等等。哈玻院在國內率先進行復合材料網格加筋結構研究,起步于20世紀80年代。1982年針對航天需求,哈玻院初步探討了復合材料加筋結構縱向和環向筋成型方法、通過膠接和鉚接與蒙皮連接的結構形式和工藝過程,并進行了結構試驗,試驗證明了其結構效率遠高于常用的復合材料光殼結構。哈玻院成功將該技術應用于某型號碳纖維復合材料連接裙,相比鋁合金結構減重33%以上。

    1999年8月,為了實現復合材料構件的輕量化,哈玻院研究開發了網格結構的纏繞成型工藝技術,與此同時,哈玻院研制了碳纖維復合材料精密離心機大臂,經試驗該部件滿足了軸向強度高、軸向線膨脹系數幾乎為零的嚴苛技術要求,為今后研究開發航天用零膨脹系數的復合材料部件奠定了技術基礎。

    上世紀90年代后期,哈玻院開始了纖維纏繞復合材料環形壓力容器成型工藝及纏繞設備的研究,在國內研究開發出獨有的球形容器纏繞技術和環形容器纏繞技術,已在國內多項航天工程中獲得應用。

    產品應用

    哈玻院昂首走過62年風雨春秋,哈玻人嘔心瀝血、砥礪奮進,創新傳承了多項國家任務,在積累了相應的技術條件和成果的基礎上,承擔了國家科技攻關、高技術、重大裝備工程配套等發展計劃的研究課題,攻克并研發出一批科技成果進入并跑領跑階段,廣泛應用于航空航天、新能源汽車等領域。

    衛星領域

    哈玻院于1983年在空間衛星主承力結構上使用碳纖維環氧復合材料開展了預研工作,以衛星的主承力結構為模型,研制出主承力錐殼,加筋圓柱殼和支桿,相比原先的鋁合金結構減輕結構質量30%以上,性能全部達到了設計要求。

    航空航天領域

    哈玻院承擔了神舟號飛船多種復合材料組件的研制工作,包括推進艙承力截錐、氣瓶安裝支架、軌道艙安裝支板等組件,均獲得圓滿成功,保證了神舟號飛船研制任務的順利進行。為推動航天器使用大型高承載復合材料構件的技術進步,縮小我國載人航天技術與國際先進國家的技術差距做出了卓越的貢獻。

    用戶體驗

    哈玻院為航天部門研制的產品圓滿完成各項重大工程任務,科研生產任務全面完成,實現了“十四五”良好開局;為長征五號火箭輔助動力系統配套生產的氣瓶和貯箱復合材料安裝支架生產工藝穩定、質量可靠,經過火箭飛行試驗驗證,完全滿足飛行使用要求;為天舟四號貨運飛船研制的貨運飛船推進艙推進分系統主承力結構體,該產品具有輕質高強高剛度、承載能力大、精度高等特點,解決型號任務研制各項技術難題;第三事業部“高鐵關鍵復合材料構件項目”性能滿足任務要求,經受住了挑戰和考驗,榮獲全國機械冶金建材行業職工技術創新成果一等獎。

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