航空航天材料/制造技术向低成本、高性能、多功能方向发展

近日,AIAA学会材料技术委员会(主要致力于推动航空航天产品对于先进材料的兴趣、研究和应用,特别关注航空航天系统对材料重量、多功能性和生命周期等关键特性的依赖)总结了2019年航空航天材料领域的技术进展,均主要集中在复合材料领域。

一、“非热压罐”工艺为航空航天结构创新带来更多可能

2019年,麻省理工学院和梅蒂斯设计公司(Metis Design Corp)合作,展示一种“非热压罐”复合材料固化工艺,这种工艺摆脱了传统基于热压罐固化过程的限制。使用传统热压罐工艺的缺点主要包括能量效率差、操作成本高、固化时间长,且对被固化的复合材料零部件几何外形有一定约束。2019年8月,联合研究团队验证了用于传导性固化复合材料结构的碳纳米管加热装置,去除了热压罐,与传统固化复合材料方法相比,实现等效的热物理和机械性能同时,还进一步减少了近60%的固化时间,能量消耗减少了近两个数量级。研究团队认为,这一工艺创新将有助于通过利用纳米工程层压材料的功能特性,如传感、结构健康检测和防冰系统等,设计和制造新一代多功能航空航天结构部件。

二、热塑性复合材料耐热性能获得显著提升

2019年7月,KAI有限责任公司、德克萨斯大学奥斯汀分校、澳大利亚墨尔本皇家理工大学、阿科玛公司和西华盛顿大学联合开展了一项研究,利用高温熔融纤维制造技术,开发了五种独特的超高性能聚合物,这五种新牌号分别是:SABIC PEI(聚醚酰亚胺) ULTEM 9085,Roboze PEEK(聚醚醚酮),智能材料3D打印PEEK(聚醚醚酮),阿科玛Kepstan 7002 PEKK(聚醚酮酮)和改性的PEI(聚醚酰亚胺)ULTEM 1010材料。这些材料可在低热通量的航天器中应用。此项研究的主要目标是开发一类材料和增材制造工艺,以期在未来大幅降低空间飞行器热保护系统的制造和装配成本。所有的五种超高性能热塑性复合材料均能够在每平方厘米100瓦热通量的气动热测试坚持30秒而不发生结构破坏和分解。根据热重分析焦炭产率结果,Kepstan 7002 PEKK(聚醚酮酮)的焦炭产率最高,为64%,而ULTEM 9085的焦炭产率最低,为43%。高焦炭率通常是指材料具有良好的烧蚀性能。除了实验研究,科研人员还利用计算流体动力学分析了在各种情况下获得的样品之间的热传递,并与实验获得的材料进行了对比。

三、陶瓷基复合材料制造技术实现突破

2019年2月,Nanoarmor公司和美国海军研究实验室制造出了70%致密的用于增材制造碳化锆复合材料。这种超高温陶瓷材料又称UHTC,可提供卓越的性能,在飞机前缘和发动机部件在等承受极端高温平台中将获得广泛的应用前景。现有耐火陶瓷难以提供足够的机械性能和热性能以应付极端服役环境,除此之外,现有材料对应的制造方法也难以适应高性能航空航天系统前缘组件对结构订制化、成本效益化的要求。

Nanoarmor公司、海军研究实验室联合开发的新技术可用于生产低成本UHTC碳化锆陶瓷基复合材料与纳米结构的增强件,可在高温和机械应力下最大化密度、硬度和耐久性。基于聚合物反应结合的合成机理,从金属前躯体与富含碳元素的高焦炭产率树脂的压缩粉末混合物中产生净成型的碳化物,氮化物和硼化物。此外,这项技术是无压力的,并采用了一步反应熔体渗透工艺,可将陶瓷混合物在1400℃下转化为致密的订制样式。这项技术与现有的替代方案相比具有更显著的成本优势。研究人员用金属、纤维、纳米碳纤维和第二陶瓷相来增强陶瓷基复合材料,以提高其机械强度、导热性、抗氧化和耐烧蚀性。前躯体材料与聚合物粘合剂的共混物形成具有可控制粘度的悬浮液,从而可实现具有可调尺寸、订制几何形状和特性的低成本快速原型件制造。