飞机聚合物基复合材料的热变形行为分析

飞机聚合物基复合材料的热变形行为分析

路敏菲宋勇

中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司陕西汉中723215

摘要:以热力学内变量理论为主要依据，采用无损检测方法对飞机聚合物基复合材料的热变形行为进行分析。首先，确定实验采用的主要材料，实验中观察聚合物基复合材料是否会受玻璃化转变的影响，以此测定分析该材料在降温和升温的状况。实验结果表明聚合物基复合材料在降温和高温的热应变基本符合线性变化，而且两者基体变化几乎一致，说明纤维可以增强聚合物基复合材料的热变形行为。

关键词：聚合物基复合材料；制造工艺；无损检测方法；热变形行为；

中图分类号:G642文献标识码:A

0引言

随着国防工业的快速发展，复合材料在飞机和发动机上的应用越来越多，多数会使用在尾翼和机翼上，聚合物基复合材料可以增加舵面的承力面积，可以将承力结构扩展到机翼的两侧，采用的结构形式比较简单，是从简单的板式结构方向发展，制造工艺比较繁琐，航空通常会采用纤维增强聚合物基复合材料，在按照结构形式将其分类，主要有层板结构和板芯夹层结构等，此外，也可以按照形状进行分类，主要有平板和曲面等。飞机聚合物复合材料制件的方式提高了无损检测技术的要求。在材料制件的过程中经常容易出现分层和夹层的问题，而飞机聚合物复合材料制件种类的多样化给无损检测带来了很大的挑战，主要表现在以下几个方面；第一，不同结构和不同制作工艺的聚合物复合材料制件中，缺陷信号的表现形式也有所不同。第二，复杂结构制件的无损检测可达性较差。第三，不同种类聚合物复合材料制件有效适用的无损检测方法不同。为了满足飞机聚合物复合材料及制件的无损检测需求，就需要不断的钻研，不断的实践，鉴于上述现象，通过实验分析飞机聚合物基复合材料的热变形行为[1]。

1资料与方法

1.1主要材料

聚合物基复合材料：丙酮；聚乙二醇4000，选自广东西陇化工股份有限公司，化学纯度较高[2]。

偏高岭土：采用内蒙古超牌有限公司的高活性偏高岭土，具体成分如下所示；

表1偏高岭土具体成分

图1实验结果

图1是实验结果，需要注意的是为了更简便的计算出参数，在本次实验中基于热力学内变量理论，不考虑参数的取值范围，得出以下理论。从图1的实验结果中可以看出，聚合物基复合材料热应变的膨胀系数会随着温度的改变而改变，当储能模量超过损耗模量，获取的两种模量温度会随之增加。当储能模量未超过损耗模量，两种模量温度会不断降低。

3讨论

聚合物基复合材料在典型的形状记忆温度循环中会发生热变形行为，当温度在10摄氏度到60摄氏度之间该材料会发生变化，从图1中可以看出，聚合物基复合材料在高温和低温时的热应变基本符合线性变化，而且两者基体变化几乎一致，说明纤维可以增强聚合物基复合材料的热变形行为。本身聚合物基复合材料是由分子组合而成的，属于特殊高分子材料[4]。通过研究表明，该材料的应用前景较为广阔，经常被采用在航天和生物医疗领域。在以往的研究当中，有关这方面的研究较少，在构建材料和结构的模型方面相对落后，热变形的研究方法主要分为两种，一种是相变理论结合法，另一种是考虑结构松弛效应的方法。在实验中表明，基于热力学理论的结构松弛模型可以较好的描述聚合物基复合材料在玻璃化转变的过程中的温度相关性。通过分析热力学内变量的演化过程，了解结构松弛效应对当前分子构型的影响。这个方法相比传统的标量形式结构不同，该方法测量出的结果较为准确，从热力学的角度上来说，材料会受机械的载荷和温度历程的影响，在实际的应用中可以利用无损检测方法，观察缺陷的部位，当紧贴型缺陷部位在无空气界面中容易变形，所以在实验中需要使用无损检测方法观察聚合物基复合材料的缺陷图像[5]。

随着我国国防工业的快速发展，聚合物基复合材料在航空飞机中的应用不断增加，所采用的结构形式和制作工艺越来越复杂，无损检测方法的可靠性和先进性符合社会时代的发展，本身航空采用的复合材料种类繁多，在实验当中可以发现聚合物基复合材料的抗冲击强度较好，这种材料的断裂行为均属脆性断裂，当温度高于40摄氏度时，聚合物基复合材料的抗弯强度提升了15%。高材料在低温时的热应变率小于同温条件下的其他材料，在这方面聚合物基复合材料表现了良好的能量吸收和变形性能[6]。

4结束语

本文对飞机聚合物基复合材料的热变形行为进行分析，根据数据反馈与取样分析数据，完成本次的设计。实验论证表明，本文设计的方法具备极高的有效性。希望本文的研究能够为飞机聚合物基复合材料的应用提供理论依据和参考。

参考文献：

[1]王会杰,吴大鸣,刘颖,等.硅烷接枝交联对MgO/高密度聚乙烯复合材料性能的影响[J].复合材料学报,2017,34(1):1140-1146.

[2]吕维洁,韩远飞,孙相龙,等.颗粒增强钛基复合材料等温热变形与组织演化规律[J].精密成形工程,2017,9(4):2112-2116.

[3]王宇,滕杰,陈爽,等.15%SiCP/8009铝基复合材料热压缩流变应力行为[J].航空材料学报,2017,37(2):2327-2612.

[4]付静,孙有平,周学浩,等.SiCp/7090Al热压缩变形行为及显微组织研究[J].铸造技术,2017.33(3):1513-1516.

[5]刘生璞,李德富,郭胜利.B4Cp/6061Al复合材料动态再结晶临界条件[J].稀有金属材料与工程,2017.32(7):1815-1820.

[6]陈瑞强,杜晓明,刘风国.石墨烯镁基复合材料的制备工艺研究[J].沈阳理工大学学报,2017,36(3):3221-3224.