2015年6月，一則某廉價航空公司用膠黏劑維修飛機(jī)的消息在網(wǎng)絡(luò)上傳開，引起一片嘩然。事發(fā)時，英國一家廉航的維護(hù)人員用膠帶修理飛機(jī)引擎外殼，正好被大感震驚的乘客拍下并上傳到網(wǎng)絡(luò)，最終被每日郵報所報導(dǎo)。一時間，網(wǎng)絡(luò)上眾說紛紜，有人驚呼是豆腐渣飛機(jī)；有人義憤填膺，稱航空公司不重視乘客的生命安全；還有的當(dāng)即表示再也不搭乘該航空公司的飛機(jī)。然而，在一片質(zhì)疑聲中，也有理性的聲音指出，對于航空制造業(yè)中使用的材料，不能因?yàn)槊Q和外觀的類似就簡單的和日常生活中的普通材料等同視之。
那么，事實(shí)的真相為何？聽聽航空專家怎樣解釋吧。原來，用于飛機(jī)引擎外殼維修的膠帶并非我們?nèi)粘Ｓ玫钠胀z帶，而是以鋁箔為基底材料，高強(qiáng)度丙烯酸為粘結(jié)介質(zhì)的特種膠黏劑，屬于飛機(jī)快速維修的常用材料，在航空領(lǐng)域已有多年的服役歷史，并非居家常備的一般膠帶。
這是材料科學(xué)的發(fā)展顛覆我們固有認(rèn)知的一個簡單事例。例如，形容事務(wù)堅(jiān)固時，我們常以“鋼鐵鑄就的”來比喻，而“紙糊的”通常被用于比喻不牢靠的結(jié)構(gòu)。然而，自上世紀(jì)初以降，以1872年拜爾合成酚醛樹脂，1907年貝克蘭提出合成酚醛樹脂的加熱固化法為標(biāo)志，高分子化學(xué)得到了長足的發(fā)展，人工合成高分子材料的性能和工藝性早超越了天然高分子，并具備在一定領(lǐng)域內(nèi)超越金屬材料取而代之的潛力。以高分子膠黏劑為例，雖然上世紀(jì)20年代才開始得到發(fā)展，但在二戰(zhàn)時期，聚氨酯、異氰酸酯、環(huán)氧樹脂等膠黏劑在軍事工業(yè)領(lǐng)域飛躍式發(fā)展并得到大量應(yīng)用，一時間各種合成路徑和工藝技術(shù)百花齊放。經(jīng)工藝改進(jìn)后，目前廣泛使用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠黏劑，其鋼-鋼粘接強(qiáng)度可達(dá)50MPa，膠接接頭中的未淬火高強(qiáng)鋁合金會先于膠黏劑發(fā)生破壞。
在這股高分子的發(fā)展大潮中，又以對材料輕質(zhì)化極為重視的航空制造業(yè)受到的影響最大。在發(fā)展的早期，飛機(jī)結(jié)構(gòu)最主要的連接方式是螺接、鉚接和焊接，膠黏劑材料主要用于飛機(jī)內(nèi)飾等非承力部位的連接，用量較少，技術(shù)含量不高。可是，隨著對飛機(jī)航行速度、機(jī)動性能和安全性要求的提高，局面發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。首先，螺接和鉚接采用的大量鋼釘嚴(yán)重增加了飛機(jī)的重量，同時，在連接的釘孔處會造成被連接材料的應(yīng)力集中，增加了材料被破壞的風(fēng)險，使得薄壁型材難以得到應(yīng)用。此外，在飛機(jī)外表面突出的螺釘和鉚釘還會影響飛機(jī)的氣動外形。焊接雖然不會帶來應(yīng)力集中的問題，但焊接時的高溫可能會對焊接區(qū)域周邊造成破壞，同時被焊接材料形變較大，間接降低了零件的制造精度。若能采用具有高粘接強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)膠黏劑進(jìn)行膠接，可在回避上述所有缺陷的同時，降低飛機(jī)的重量。如美軍Ｆ-86Ｄ噴氣式飛機(jī)機(jī)減速板鉚接改為膠接后，重量由12.5kg降至8kg。我某型機(jī)機(jī)身改為膠接，重量減輕約15%，某預(yù)警飛機(jī)雷達(dá)罩改為膠接后，重量減輕約20%。
遺憾的是，帶來這次技術(shù)發(fā)展的背后推手仍然是戰(zhàn)爭。二戰(zhàn)期間，為不斷提高戰(zhàn)機(jī)性能，以對敵方空軍形成技術(shù)壓制，膠黏劑的航空應(yīng)用完成了從非結(jié)構(gòu)向結(jié)構(gòu)膠的快速轉(zhuǎn)變。自此，結(jié)構(gòu)膠黏劑在飛機(jī)上的應(yīng)用范圍越來越廣。時至今日，結(jié)構(gòu)膠黏劑已被廣泛的應(yīng)用在飛機(jī)的主、次級承力結(jié)構(gòu)和各種功能部件上。此外，與二戰(zhàn)時期相比，航空結(jié)構(gòu)膠除對其抗拉伸、剪切、剝離和劈裂性能有最低要求外，隨著飛機(jī)飛行速度的提高，高速空氣摩擦產(chǎn)生的熱量也對結(jié)構(gòu)膠黏劑的耐溫性能提出了更高的要求。
如今，根據(jù)飛機(jī)設(shè)計飛行速度的不同，航空結(jié)構(gòu)膠黏劑被要求能在80℃、150℃和260℃長期使用。根據(jù)美軍對結(jié)構(gòu)膠黏劑性能的要求《MMM-A-132B》，耐80℃和150℃的結(jié)構(gòu)膠適用于飛行速度在2倍音速以下的旋翼和固定翼飛機(jī)，通常采用環(huán)氧樹脂作為主體材料，膠接對象為鋁合金或具有與膠黏劑相同耐溫等級的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；耐260℃的結(jié)構(gòu)膠則主要用于飛行速度超過2倍音速的超高音速飛機(jī)，通常采用雙馬來酰亞胺樹脂或氰酸酯樹脂作為主體材料，膠接對象為不銹鋼、鈦合金或具有與膠黏劑相同耐溫等級的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
航空結(jié)構(gòu)膠接的形式
文章開頭提到民用飛機(jī)引擎蓋的常規(guī)維修，并不屬于飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)的膠接范疇，飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)，是指機(jī)翼、方向舵、機(jī)身的框架和蒙皮等部位。結(jié)構(gòu)膠黏劑在飛機(jī)上的應(yīng)用范圍如圖所示，包括板-板、板-桁條、板-芯材和骨架-板等多數(shù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)均可通過結(jié)構(gòu)膠黏劑連接，其中骨架指機(jī)身和機(jī)翼的框架結(jié)構(gòu)，而芯材指泡沫、蜂窩板等低密度的減重材料。
芯材
用芯條制作紙峰窩
“紙糊的”蜂窩芯材
芯材在飛機(jī)、動車等高速交通工具中應(yīng)用廣泛。這類材料內(nèi)部存在大量的孔穴，因此表觀密度極低，同時又具有優(yōu)異的抗壓縮和抗彎曲性能，因此大量應(yīng)用在機(jī)身、機(jī)翼等厚度較大的部位。其中芳綸紙蜂窩就是一個有代表性的例子。
芳綸纖維具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度，是制造凱芙拉防彈衣的主要原材料，在上世紀(jì)60年代由美國杜邦公司首次成功合成。將芳綸纖維切成短纖，用膠黏劑粘連，可制成芳綸紙。將芳綸紙裁成長條后，按下圖將芳綸紙條（芯條）用芯條膠錯位固化粘接后，沿芯條疊加的方向拉伸，即可制成芳綸紙蜂窩。紙蜂窩的每個孔穴都呈大小相同的正六邊形，在厚度方向有極高的抗壓強(qiáng)度。通常，芳綸蜂窩制成后，還要用酚醛樹脂浸透，提高蜂窩的剛度和強(qiáng)度。
全部成分只包括了紙和膠水，芳綸紙蜂窩可說是一種典型的“紙糊”材料，而今卻在航空領(lǐng)域大展拳腳。以我國某型號直升機(jī)為例，采用了蜂窩夾層件280多個，用量超過260平方米，蜂窩覆蓋面積占整機(jī)的80%。
不只是蜂窩，為了飛機(jī)能飛的輕快又省油，同時不斷增大飛機(jī)的載重量，飛機(jī)設(shè)計者更傾向于在飛機(jī)上大量將金屬材料替換為性能接近的各類高分子材料。已連續(xù)纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料為例，在最先進(jìn)的寬體民航客機(jī)A380和B787中，復(fù)合材料的占所有材料的質(zhì)量百分比已分別達(dá)到24%和50%，在飛機(jī)外側(cè)蒙皮上，復(fù)合材料占比更多。從下圖中B787客機(jī)的材料組成來看，飛機(jī)表面絕大多數(shù)材料為纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。
采用上述材料的主要原因與芳綸紙蜂窩類似，那就是此類材料極高的比強(qiáng)度。以拉伸強(qiáng)度為例，低級別的T300級碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的軸向拉伸強(qiáng)度就可達(dá)到1500MPa以上，更先進(jìn)的T800級碳纖維增強(qiáng)雙馬樹脂基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度則可達(dá)2500MPa以上，壓縮強(qiáng)度則在1100MPa以上。與此相比，2024、7075等高強(qiáng)度鋁合金的拉伸強(qiáng)度，只有500MPa左右，而比強(qiáng)度最高的鈦合金如TC4、TC16、TC21等的拉伸強(qiáng)度均在1000MPa上下。同時，高分子材料的重量輕得多。一般高分子材料的密度ρ≈1.2g/cm3，比起金屬中重量最輕的鋁（ρ≈2.7g/cm3）和比強(qiáng)度最高的鈦（ρ≈4.5g/cm3）都要輕不少。即使是經(jīng)過纖維增強(qiáng)的高分子基體復(fù)合材料，其密度ρ也只是增加到了1.6g/cm3左右。
然而，就在合成高分子材料在航空領(lǐng)域已勢不可擋的速度大范圍應(yīng)用的同時，大自然在意想不到的領(lǐng)域向飛機(jī)和材料科學(xué)家們提出了考驗(yàn)。
加載中...
