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CN102875966A - 一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺 - Google Patents

一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺。专用料是以PEEK(聚醚醚酮)、CF(碳纤维)为主要原料，添加适量的加工助剂制备而得，其中PEEK，20～90份；CF，10～50份；石墨纤维，0～30份及加工助剂，1～3份。按上述比例称取原料，对CF和石墨纤维进行表面处理后经专业加入口加入，在双螺杆挤出机上共混挤出。本发明的高性能飞机尾翼复合材料由于采用了混合纤维增强特种工程塑料聚醚醚酮复合材料，具有独特的优点，如优异的抗疲劳性能、耐湿/热性能、耐蠕变性能、耐化学品性能、自熄性、阻燃性、电绝缘性等，广泛应用于航空航天领域，可以代替铝、钛和其他金属材料制造各种飞机内、外部零件，降低飞机重量，轻质部件意味着易装配并降低飞机运行的整体成本。

Description

一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺
技术领域
本发明公开了一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺。具体涉及一种应用于航空航天领域中飞机尾翼的混合纤维增强聚醚醚酮复合材料及其制备工艺。
技术背景
飞机尾翼分垂直尾翼和水平尾翼，垂直尾翼产生偏航力矩，在飞机上主要起方向安定和方向操纵的作用，水平尾翼产生俯仰力矩，主要起纵向安定和俯仰操纵的作用。飞机尾翼对飞机在空中飞行的安全性具有举足轻重的作用。
先进复合材料具有高比强、高比模、耐疲劳、多功能、各向异性和可设计性，材料与结构的可同一性等优异性能，自上世纪60年代问世以来，先进复合材料很快获得广泛应用，成为航空航天四大材料之一。波音公司和空中客车公司已采用碳纤维复合材料制造主体结构的大部分，相比于传统的金属材料合金具有如下优点：(1)质量轻；(2)耐蚀性优良；(3)耐疲劳性强；(4)可减少机加工；(5)能加工制造复杂的形状件；(6)能朝最大刚性和强度的方向取向放置增强纤维；(7)能减少装配总成数和固定件数；(8)复合材料雷达和微波吸收性低，可提供隐形能力来使雷达难于发现；(9)热膨胀性低，减少高空飞机中发生操作问题的可能性。
复合材料非比寻常的特性，以及近年来生产成本的降低，加速了金属材料向复合材料转变的进程。复合材料的应用具有可使飞机结构减重及结构设计成本降低的优势。面对较高的燃油价格和越来越严重的污染物排放标准，复合材料能使飞机减重的优点尤为重要。
本发明复合材料具有优异的抗疲劳性能、耐湿/热性能、耐蠕变性能、耐化学品性能、自身阻燃性、电绝缘性等，是制造飞机尾翼的最理想的材料之一。
发明内容
本发明是为了解决传统的用于制造飞机尾翼的金属材料合金存在的一些问题，提出的一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺。本发明的技术方案是PEEK，20～90份；CF，40～50份；石墨纤维，0～30份及加工助剂，1～3份。所述的PEEK聚醚醚酮树脂其玻璃化转变温度为200～240℃，特性粘度为1～5。所述的碳纤维为高性能碳纤维，平均长径比8∶1～15∶1，抗拉强度3500～5000MPa，抗拉模量200～500GPa。所述的石墨纤维为沥青系高性能石墨纤维，抗拉强度1500～3500MPa，抗拉模量500～900GPa。所述的加工助剂为润滑剂、分散剂、偶联剂中的一种或几种。
本发明所述的一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺如下：
碳纤维和石墨纤维的表面处理工艺为磺化聚醚醚酮法、硝酸常温处理法、混酸超声氧化法或高温硝酸水浴法。采用碳纤维和石墨纤维混合增强PEEK，首先将PEEK树脂和加工助剂在高混机中混合均匀，加入到双螺杆挤出机中，并将经表面处理后的CF和石墨纤维从专业加入口加入，进行混炼、挤出、冷却、切粒，得圆柱状颗粒产品。挤出料筒温度：后段330～360℃，中段350～380℃，前段360～400℃，螺杆长径比15～25。
本发明采用高性能碳纤维和石墨纤维混合增强PEEK，使该复合材料具有高比强度、高比模量、耐磨、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳及热膨胀系数小等优异性能，是发展航天航空和军事尖端技术不可或缺的新材料。相比于单独的碳纤维增强PEEK和单独的石墨纤维增强PEEK来说，碳纤维和石墨纤维混合增强PEEK复合材料的各项重要性能都较高，这主要是因为碳纤维和石墨纤维与PEEK基体黏合性非常好，以及碳纤维和石墨纤维之间存在非常好的协同效应，可明显提高复合材料的性能。所以，本发明复合材料具有高比强度、高比模量、优异的阻燃性、耐磨性、电绝缘性等诸多特点，可替代金属材料制造飞机尾翼，达到减重和减少耗油量的目的，并且成型速度快，大量节约劳动力，是一种非常具有发展潜力，能在航空航天领域大力推广的高性能复合材料。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明进一步详细说明，但本发明并不局限于以下实施各例：
本实施方式均使用科倍隆双螺杆挤出机和海天注塑机；主要原料主要为进口料，PEEK产于英国ICI公司，CF和石墨纤维均产于美国赛拉尼斯公司。
本发明所述的一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺如下：
CF和石墨纤维的表面处理工艺为磺化聚醚醚酮法、硝酸常温处理法、混酸超声氧化法或高温硝酸水浴法。采用CF和石墨纤维混合增强PEEK，首先将PEEK树脂和加工助剂在高混机中混合均匀，加入到双螺杆挤出机中，并将经表面处理后的碳纤维和石墨纤维从专业加入口加入，进行混炼、挤出、冷却、切粒，得圆柱状颗粒产品。挤出料筒温度：后段330～360℃，中段350～380℃，前段360～400℃，螺杆长径比15～25，螺杆转速200～800r/min。
本发明的实施方式均按照以上工艺进行，具体如下所示：
实施例1
将80份PEEK树脂和2份加工助剂经高速混合机混合2～5min，20份碳纤维经专业加入口加入，混合均匀后出料加入到双螺杆挤出机中，混炼、挤出、冷却、切粒，得圆柱状颗粒产品，各项性能检测结果如下表1所示。
实施例2
将70份PEEK树脂和2份加工助剂经高速混合机混合2～5min，20份碳纤维和10份石墨纤维经专业加入口加入，混合均匀后出料加入到双螺杆挤出机中，混炼、挤出、冷却、切粒，得圆柱状颗粒产品，各项性能检测结果如下表1所示。
实施例3
将60份PEEK树脂和2份加工助剂经高速混合机混合2～5min，30份碳纤维和10份石墨纤维经专业加入口加入，混合均匀后出料加入到双螺杆挤出机中，混炼、挤出、冷却、切粒，得圆柱状颗粒产品，各项性能检测结果如下表1所示。
实施例4
将70份PEEK树脂和2份加工助剂经高速混合机混合2～5min，10份碳纤维和20份石墨纤维经专业加入口加入，混合均匀后出料加入到双螺杆挤出机中，混炼、挤出、冷却、切粒，得圆柱状颗粒产品，各项性能检测结果如下表1所示。
实施例5
将60份PEEK树脂和2份加工助剂经高速混合机混合2～5min，10份碳纤维和30份石墨纤维经专业加入口加入，混合均匀后出料加入到双螺杆挤出机中，混炼、挤出、冷却、切粒，得圆柱状颗粒产品，各项性能检测结果如下表1所示。
实施例6
将60份PEEK树脂和2份加工助剂经高速混合机混合2～5min，20份碳纤维和20份石墨纤维经专业加入口加入，混合均匀后出料加入到双螺杆挤出机中，混炼、挤出、冷却、切粒，得圆柱状颗粒产品，各项性能检测结果如下表1所示。
将以上6个实施例所得到的混合纤维增强PEEK复合材料，按照同样的注塑条件制备注塑样条。
注塑条件：注塑温度350～450℃，模具温度150～200℃，注射压力1200～1800Kg/cm2，保持压600～1000，注射速度为中速～高速。
各实施例物理性能均按德国国家标准和美国国家标准进行测试，具体检测标准如下：
Figure BSA00000537124500041
表1
从表1可以看出，随着纤维含量的增加，复合材料的冲击强度随之减少，而拉伸强度和弯曲强度则随之增加。另外，我们从表中也可知，不同比例的碳纤维和石墨纤维增强PEEK，其性能有所不同，碳纤维含量高的复合材料强度高，石墨纤维含量高的复合材料模量高，这主要是因为碳纤维较石墨纤维强度更高，石墨纤维较碳纤维模量更高，所以，选用碳纤维和石墨纤维同时增强PEEK，能综合两者的优点，获得同时具有高比强度、高比模量等优异性能的高性能复合材料，满足航天航空领域中先进复合材料的要求，其中特别适合用作飞机尾翼复合材料。综上所示，本发明所制备的混合纤维增强PEEK具有高比强度、高比模量、耐磨、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳及热膨胀系数小等优异性能，是一种极为理想的，不可或缺的先进复合材料。

Claims (8)

1.根据权利要求1所述的一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺，其特征在于高比强度、高比模量、耐疲劳等性能，其组分及含量如下：PEEK(聚醚醚酮)，10～90份；CF(碳纤维)，10～50份，石墨纤维，0～30份及加工助剂，1～3份。
2.根据权利要求1所述的一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺，其特征在于所述的聚醚醚酮树脂其玻璃化转变温度为200～240℃，特性粘度为1～5。
3.根据权利要求1所述的一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺，其特征在于所述的碳纤维为高性能碳纤维，平均长径比8∶1～15∶1，抗拉强度3500～5000MPa，抗拉模量200～500GPa。
4.根据权利要求1所述的一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺，其特征在于所述的石墨纤维为沥青系高性能石墨纤维，抗拉强度1500～3500MPa，抗拉模量500～900GPa。
5.根据权利要求1所述的一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺，其特征在于所述的加工助剂为润滑剂、分散剂、偶联剂中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺，其特征在于碳纤维和石墨纤维的表面处理工艺为磺化聚醚醚酮法、硝酸常温处理法、混酸超声氧化法及高温硝酸水浴法中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺，其特征在于采用碳纤和石墨纤维混合增强PEEK，首先将PEEK树脂和加工助剂在高混机中混合均匀，加入到双螺杆挤出机中，并将经表面处理后的CF和石墨纤维从专业加入口加入，进行混炼、挤出、冷却、切粒，得圆柱状颗粒产品。
8.根据权利要求1所述的一种高性能的飞机尾翼复合材料及其制备工艺，其特征在于：挤出料筒温度：后段330～360℃，中段350～380℃，前段360～400℃，螺杆长径比15～25，螺杆转速200～800r/min。
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