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航空航天复合材料绿色化发展技术的应用

2020-06-12 361 上传者：管理员

摘要：在航空航天技术不断发展的今天,复合材料的绿色化发展逐渐被人们重视,包括材料设计、材料制造、材料回收以及再利用等多个方面,对我国的航空航天事业发展作出了卓越的贡献。基于此,文章从航空航天复合材料的绿色化发展理念出发,对主要的绿色化技术进行了系统的分析,希望为航空航天复合材料设计和制造人员提供帮助。

关键词：
复合材料
工程材料
绿色化
航空航天
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复合材料的研发和应用是人类航空航天事业发展与进步的基础和导向,尤其是进入21世纪以后,在全球工业化高速发展的推动下,复合材料的设计和生产制造等领域都获得了良好的发展,给人类的生活和生产活动等带来了很大的变化。航空航天复合材料的绿色化发展,将航空航天材料的设计和制造推向了全新的高度,是符合社会发展和技术革新的先进理念,未来的发展前景良好。

1、航空航天复合材料绿色化发展理念概述

航空航天复合材料的绿色化发展从本质上讲就是绿色材料的使用以及材料的绿色制造,目的就是在航空航天复合材料的设计、材料选用、生产制造、运输包装以及使用和回收再利用整体流转周期内,实现复合材料的利用率最大化,尽可能地减少航空航天复合材料的使用成本以及对环境造成的影响[1]。

航空航天复合材料绿色化发展理念中,“绿色”代表着材料绿色和生产加工绿色,其中复合材料设计和研究的主要方向是可降解的复合材料,最具代表意义的就是使用高性能天然植物纤维和可降解的生物高分子树脂,通过有机合成制造出一种可降解的复合材料,被人们称为“100%的绿色复合材料”[2]。可降解的复合材料最主要的优点就是在废弃或者退役以后可以完成全降解,并生成二氧化碳和水,不仅不会对环境造成影响,而且属于再生资源,可以被二次利用。另外,绿色复合材料的原料大多数都是来源于自然界,而且是取之不尽的可再生资源,生产制造成本较低,有利于航空航天事业的长期发展。

2、航空航天复合材料绿色化发展技术

2.1 复合材料设计技术

传统工业材料的开发大多采用设计、制造、应用和维护等多个环节的串行式合作,每个工序都是相对独立的,该环节的工序完成后移交给下一个工序即可,工序之间的交流和合作比较少。工业材料的设计环节主要考虑的就是材料的外观、性能等基本内容,并没有充分考虑到材料使用过程中的装配、维修以及回收等环节的内容,设计的整体效果有待提升。航空航天材料的绿色化发展对复核材料的设计过程提出了新的要求,旨在通过全新的复合材料设计技术和理念,在设计的初期就将复合材料的使用周期全部考虑在内,包括研发、成本控制、质量控制、生产周期以及环境影响等,从而制定出符合绿色化发展理念的最优设计方案[3]。航空航天复合材料是一种“可设计”的绿色材料,可以充分利用复合材料的可设计性对其结构、性能以及外观等多个方面进行设计优化,并在“并行式”设计模式的基础上完成复合材料的使用周期规划,提高航空航天复合材料的可装配性和绿色化。

2.2 复合材料开发技术

航空航天复合材料绿色化发展,从高性能的复合材料绿色化开发技术方向来看,主要有可回收的热塑性树脂复合材料、可降解的热固性树脂复合材料两种。航空航天应用到的高性能复合材料需要着重解决的问题是热固性树脂材料无法回收和降解。在此背景下,从20世纪90年代开始,世界各国就相继开发了一系列的高性能热塑性树脂复合材料,例如聚苯硫醚系列、聚醚酮系列等[4]。此类可降解热塑性树脂复合材料在综合力学性能、耐腐蚀性以及韧性等方面都有了很大的提升,并且在开发技术和制造工艺上具备了二次以及多次成型的特点,还可以进行有效的回收和再利用,被广泛应用在航空航天器的主承力结构上。航空航天热固性树脂复合材料主要指的是环氧树脂,该材料具有耐热性好、固化尺寸稳定、耐腐蚀以及粘结强度高等优点,是近年来使用最为频繁的复合材料之一,比较适合用于民用飞机复合材料结构的制造。

2.3 复合材料制备技术

航空航天复合材料的制备需要使用到碳纤维,以此提高复合材料的性能强度,同时还可以减轻复合材料的质量。碳纤维的生产和应用是航空航天复合材料制备技术中的重点,是一项高投入、高能耗以及高污染的产业,对复合材料的制备技术也有很高的要求。为了更好地利用碳纤维,并降低其生产成本,需要从开发新型碳纤维前驱体、开发低成本制备工艺、开发大丝束品种以及开发各种新制备技术等方面入手,全面应对复合材料制备技术的应用困难。

其中,木质素制备碳纤维技术可以从乙醇生产副产品中提取出α-纤维素,在经过熔纺和碳化以后可以制备成低成本的碳纤维,也可以在杉树等针叶林木中提出纤维素制备成木质碳纤维,这类低成本碳纤维的抗拉强度与石化原料制备而成的碳纤维基本一致,制备成本也相差不大,有效解决了石化资源短缺的问题,但是形成产业化还需要一定的时间[5]。复合材料制备技术的开发在未来的几十年里必将获得成功,碳纤维丝束的品种会越来越多,可以满足不同设计要求的使用,制备工艺也会得到优化和创新,新技术也会层出不穷,会进一步提高复合材料制备的效率,同时降低能耗和资源的浪费,推动航空航天复合材料绿色化的发展。

2.4 回收再利用技术

航空航天复合材料中使用到的碳纤维是一种制备成本高昂的产品,据估算,每制备1t的碳纤维需要花费81345元,而且碳纤维在使用后无法被降解,退役或者损坏后只能通过掩埋或者焚烧的方式进行处理,资源浪费情况严重,而且造成一定的环境污染,因此航空航天复合材料的回收再利用技术研发和应用就显得十分有必要,在经过数年的研究和实验后,目前已经取得了一定的进展,也得到了有效的应用。对热塑性树脂复合材料,使用熔融再生法可以实现对复合材料的回收再利用,复合材料在经过清洗、重熔、注模压缩后可以制造成新的复合材料,重新投入使用。

另外,还可以通过在热塑性树脂材料中添加溶剂将其溶解,通过沉淀分离出聚合物和纤维,再经过过滤提取出其中的纤维材料,进行二次使用。针对热固性复合材料则可以使用物理法、热解法以及超临界流体法等将复合材料分解、压碎,从中获得干净的碳纤维,并且可以保留其原始的性能,不影响再次使用。复合材料的回收再利用技术依然处在探索和发展的阶段,相信在不久的将来会得到更大的进步,进一步提高碳纤维的回收率和利用率,促进航空航天复合材料绿色化的发展[6]。

3、结束语

航空航天复合材料绿色化发展是必然趋势,是实现资源高效利用、环境保护以及航空航天事业发展的前提,需要从材料设计、制备工艺与技术、材料开发以及回收再利用技术等方面入手,全面提高航空航天复合材料绿色化技术水平,以此带动航空航天复合材料的不断发展与突破,争取早日形成产业化生产模式,进一步提高我国航空航天事业的发展高度。

参考文献：

[1]苏晓瞳.复合材料的构型化设计及在航空方面的应用[J].数码世界,2018(1):330-331.

[2]樊星.碳纤维复合材料的应用现状与发展趋势[J].化学工业,2019 (4):12-16.

[3]韦生文,鞠金山.浅谈复合材料的绿色制造[J].玻璃钢,2018(1):12.

[4]湛利华,关成龙,黄诚,等.航天低温复合材料贮箱国内外研究现状分析[J].航空制造技术,2019,62(16):79-87.

[5]唐见茂.航空航天复合材料绿色化发展浅析[J].航天器环境工程,2015,32(5):457-463.

[6]包建文,蒋诗才,张代军.航空碳纤维树脂基复合材料的发展现状和趋势[J].科技导报,2018,36(19):52-63.

余绍伟,谢婷婷,张明蕾.航空航天复合材料绿色化发展探析[J].南方农机,2020,51(08):224+233.