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新材料故事 | 航空航天復(fù)合材料:唯有創(chuàng)新才能持續(xù)發(fā)展

來源:中國建材總院、哈玻院  發(fā)布時間:2022-08-24

編者按

當(dāng)材料醒來的那一刻,它將成為你生活中的一段感受??础⒙?、觸摸......置身其中,材料無處不在。中國建材集團(tuán)的能工巧匠們,實驗、堅守、創(chuàng)新,鍥而不舍,只為成就材料背后的可能,開發(fā)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(wù)國防建設(shè)、服務(wù)國家重大工程、服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、服務(wù)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(rèn)識身邊無處不在的新材料,為大家講述我們與社會發(fā)展、人類生活齊步走的故事。

復(fù)合材料科普

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料,通過物理或化學(xué)的方法,在宏觀(微觀)上組成具有新性能的材料。近代復(fù)合材料主要指人工特意復(fù)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(zhàn)期間,玻璃纖維增強聚酯樹脂基復(fù)合材料被美國空軍用于制造飛機構(gòu)件。

復(fù)合材料發(fā)展第一代

1942——1960年,玻璃纖維增強塑料時代。

復(fù)合材料發(fā)展第二代

1960——1980年,先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)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(huán)氧樹脂、Kevlar纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料用于飛機、火箭的主承力構(gòu)件。

先進(jìn)復(fù)合材料:進(jìn)入20世紀(jì)70年代,開發(fā)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(jìn)復(fù)合材料(Advanced Composite Materials,簡稱ACM),是用于飛機、火箭、衛(wèi)星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。

復(fù)合材料發(fā)展第三代

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

復(fù)合材料發(fā)展第四代

1990——至今,多功能復(fù)合材料時代,壓電復(fù)合材料、導(dǎo)電復(fù)合材料、磁性復(fù)合材料、摩擦功能復(fù)合材料、阻尼功能復(fù)合材料、機敏復(fù)合材料和智能復(fù)合材料,得到了研究和發(fā)展。

研發(fā)中的技術(shù)攻關(guān)

在復(fù)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(jì)60年代中期,“干法立式”纏繞工藝適用于制造玻璃鋼發(fā)動機燃燒室殼體技術(shù)才成定論,干法工藝雖然有點明顯,但對殼體幾何的適應(yīng)性有一定的限制,預(yù)浸材料制造工藝難度較大。相反,濕法工藝適應(yīng)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(dāng)時濕法工藝涉及的技術(shù)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(fā)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(shù)等方面都是嶄新的課題,技術(shù)上難度之大,可想而知。到上世紀(jì)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(shù)問題。從上世紀(jì)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(fā)動機殼體,通過國家建材局和航天工業(yè)部主持的部級技術(shù)鑒定。1988年,哈玻院承擔(dān)了我國火箭用玻璃鋼燃燒室殼體的研制任務(wù)。在前期研制基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完善和改進(jìn)發(fā)動機殼體芯模結(jié)構(gòu),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(shù)、工藝精度控制和質(zhì)量保證技術(shù)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(tǒng)的衛(wèi)星變軌發(fā)動機,參加了我國大推力捆綁式火箭的首次發(fā)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(lǐng)域的重大突破,為我國進(jìn)入國際衛(wèi)星發(fā)射市場做出了貢獻(xiàn)。

復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(nèi)率先進(jìn)行復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)研究,起步于20世紀(jì)80年代。1982年針對航天需求,哈玻院初步探討了復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)縱向和環(huán)向筋成型方法、通過膠接和鉚接與蒙皮連接的結(jié)構(gòu)形式和工藝過程,并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)試驗,試驗證明了其結(jié)構(gòu)效率遠(yuǎn)高于常用的復(fù)合材料光殼結(jié)構(gòu)。哈玻院成功將該技術(shù)應(yīng)用于某型號碳纖維復(fù)合材料連接裙,相比鋁合金結(jié)構(gòu)減重33%以上。

1999年8月,為了實現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的輕量化,哈玻院研究開發(fā)了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的纏繞成型工藝技術(shù),與此同時,哈玻院研制了碳纖維復(fù)合材料精密離心機大臂,經(jīng)試驗該部件滿足了軸向強度高、軸向線膨脹系數(shù)幾乎為零的嚴(yán)苛技術(shù)要求,為今后研究開發(fā)航天用零膨脹系數(shù)的復(fù)合材料部件奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

上世紀(jì)90年代后期,哈玻院開始了纖維纏繞復(fù)合材料環(huán)形壓力容器成型工藝及纏繞設(shè)備的研究,在國內(nèi)研究開發(fā)出獨有的球形容器纏繞技術(shù)和環(huán)形容器纏繞技術(shù),已在國內(nèi)多項航天工程中獲得應(yīng)用。

產(chǎn)品應(yīng)用

哈玻院昂首走過62年風(fēng)雨春秋,哈玻人嘔心瀝血、砥礪奮進(jìn),創(chuàng)新傳承了多項國家任務(wù),在積累了相應(yīng)的技術(shù)條件和成果的基礎(chǔ)上,承擔(dān)了國家科技攻關(guān)、高技術(shù)、重大裝備工程配套等發(fā)展計劃的研究課題,攻克并研發(fā)出一批科技成果進(jìn)入并跑領(lǐng)跑階段,廣泛應(yīng)用于航空航天、新能源汽車等領(lǐng)域。

衛(wèi)星領(lǐng)域

哈玻院于1983年在空間衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)上使用碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料開展了預(yù)研工作,以衛(wèi)星的主承力結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量30%以上,性能全部達(dá)到了設(shè)計要求。

航空航天領(lǐng)域

哈玻院承擔(dān)了神舟號飛船多種復(fù)合材料組件的研制工作,包括推進(jìn)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(wù)的順利進(jìn)行。為推動航天器使用大型高承載復(fù)合材料構(gòu)件的技術(shù)進(jìn)步,縮小我國載人航天技術(shù)與國際先進(jìn)國家的技術(shù)差距做出了卓越的貢獻(xiàn)。

用戶體驗

哈玻院為航天部門研制的產(chǎn)品圓滿完成各項重大工程任務(wù),科研生產(chǎn)任務(wù)全面完成,實現(xiàn)了“十四五”良好開局;為長征五號火箭輔助動力系統(tǒng)配套生產(chǎn)的氣瓶和貯箱復(fù)合材料安裝支架生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、質(zhì)量可靠,經(jīng)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(jìn)艙推進(jìn)分系統(tǒng)主承力結(jié)構(gòu)體,該產(chǎn)品具有輕質(zhì)高強高剛度、承載能力大、精度高等特點,解決型號任務(wù)研制各項技術(shù)難題;第三事業(yè)部“高鐵關(guān)鍵復(fù)合材料構(gòu)件項目”性能滿足任務(wù)要求,經(jīng)受住了挑戰(zhàn)和考驗,榮獲全國機械冶金建材行業(yè)職工技術(shù)創(chuàng)新成果一等獎。