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复合材料中的高性能纤维,助力C919起航

2021-02-02 16:183930
 C919,款按照新国际适航标准研制的干线民用飞机,有人亲切地称它为“小玖”。2015年11月2日, C919离开总装线,呱呱落地了。它的诞生,标志着我国具备了自主研发生产大型客机的能力,也标志着高端装备制造业发展到了一个全新高度。这是历史性的突破!据悉,2021年,上海将推动国产大飞机C919取得适航证并交付架。
 
  C919采用了大量的先进复合材料、先进铝锂合金等,其中复合材料使用量达到20%,并通过飞机内部结构的细节设计,把飞机重量往下压缩。那么这个“先进复合材料”究竟是何方神圣呢?这就得提一提我们C919大客机上的高性能纤维了!
  C919上的纤维之——芳砜纶
  C919的机舱内部次启用芳砜纶制作椅罩、门帘。芳砜纶是我国独立研制成功并享有完全知识产权的耐高温纤维,研制工作始于上世纪70年代。国产高技术纤维芳砜纶的使用,使“小玖”再“瘦身”30公斤以上。
 
  芳砜纶的制备方法:在工业化生产中采用了湿法纺丝工艺,生产流程为:将3,3’-二氨基二苯砜、4,4’-二氨基二苯砜和对苯二甲酰氯(TPC)3 种原料按照 1∶3∶4的摩尔比加入溶剂二甲基乙酰胺(DMAc)中,通过低温缩聚得到芳砜纶成纤聚合物。经过氯化钙中和、过滤脱泡工序,在含有CaCl2- DMAc-H2O的三元体系凝固浴中,经湿法纺丝得到初生纤维,之后,拉伸、水洗、干燥,再经高温拉伸后,可得到芳砜纶,原色为米黄色。
  芳砜纶的性能阻燃:芳砜纶具有良好的阻燃性。纤维在燃烧时不熔融、不收缩或很少收缩;离火焰自熄,极少有阴燃或余燃现象。
  电绝缘:芳砜纶具有良好的电绝缘性能。
  耐热:芳砜纶在250℃和300℃时,强度保持率分别为70%,50%,比芳纶1313高5—10个百分点,即使在350℃的高温下依然可以保持38%的强度,而此时芳纶1313已遭破坏。
  目前飞机上的门帘、椅罩主要使用羊毛材料,需要经过阻燃处理,其阻燃效果会随着洗涤次数的增加逐渐减弱,一般而言,民航飞机上的座椅面罩超过15次洗涤就不会再用。芳砜纶具有永久阻燃性,相对而言寿命较长。此外,一般的羊毛面罩需要干洗,而芳砜纶可水洗,这也使得航空公司洗涤成本大大降低。
 
  碳纤维复合材料强度大、模量高、比重小、质量轻,具有耐高温、耐疲劳、耐腐蚀、耐高导和高稳定性等一系列优异性能,可以减轻航空器的质量,节省油耗,提高航速,在航空飞行器领域的应用非常广泛,甚至出现取代一部分铝合金材料的趋势。而航天飞行器的质量每减少1kg,就可使运载火箭减轻500kg!因此,碳纤维复合材料已经成为一种先进的航空航天材料。
 
  目前,从范围看,碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升机上的使用量已占全部材料的70%至80%,在大型客机上占15%至50%。在航天中主要被用作结构材料,如主翼、尾翼和机体、方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等。
  碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。它“外柔内刚”,比重不到钢的1/4,抗拉强度却是钢的7倍至9倍,并且具有耐腐蚀、高模量的特性。
  
  结语
  作为我国自主研制的款新一代喷气式干线客机,C919大规模采用先进材料,整体减重7%左右,油耗更小,成本更低,还能减少二氧化碳排放,更环保节能。先进碳纤维复合材料以及国产高技术纤维芳砜纶在C919中的大规模应用,代表着纤维复合材料技术向国际水平又迈近了一步。
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