高分子材料在飞机上的应用
复合材料1001 党正博 4204100131
摘要：21世纪是新型材料为物质基础的时代。各种高分子材料以它优异的性能
在各种方面领域有广泛的应用。在飞机制造工业中，由于高分子材料的使用，飞机本身的质量的减轻性能更加稳定的同时也减少了能源的消耗。本文主要是列举了几种常见的高分子材料在飞机上的应用。
关键词：飞机；高分子材料；应用
Application of High Polymer Material on Aerplane
Abstract：The 21st century is the time that the new material is the material base. Each
kinds of high polymer material has the widespread application by its
outstanding performance in many domains. In the aircraft industry, as a
result of the high polymer materials are used, airplane's quality reduced
performance stabler at the same time also to reduce the energy
consumption. This article has mainly enumerated several kinds of common
high polymer materials are applied on airplane.
Key words: Airplane; High Polymer Material; Application
一、引言 自1903年美国人莱特兄弟发明了飞机并成功试飞到现在的空客A-380
和波音梦幻787。人类像鸟一样的飞翔的梦想早已经成为了现实。随着高分子材料被应用在制作飞机的材料上，使得飞机的性能越来越好。在航空工业中，腐蚀与防腐是个重要的问题，可是一般的金属防腐蚀的效果很差，由于高分子材料耐酸，碱，盐介质的腐蚀性优于金属和其他的合金材料，故被应用在飞机的制作上。另外，高分子材料具有密度小，强度大的优点，这对减轻飞机本身的质量和减少能源的消耗都有重要的意义。
二、塑料在飞机上的应用
塑料是由高分子化合物（天然或是合成的树脂）为基础组成的具有可塑
性的材料。它密度小，比强度高，良好的电绝缘性，绝热性，隔声性，耐磨性等使得它在航空工业上应用很普遍。
1、有机玻璃（PMMA）
有机玻璃的主要的成分是聚甲基丙烯酸甲酯，另外含有增塑剂（常用
的增塑剂是邻苯二甲酸二丁酯）。它有透光性好（透过99%的太阳光），常温下强度大，耐腐蚀性和绝缘性好，用作飞机坐舱盖、可防止空中突然爆破。也用于制造飞机风挡玻璃和一些仪表的外壳上。但是它也热膨胀系数大，受温度和日光的作用下性能下降的缺点。
2、聚氯乙烯（PVC）
聚氯乙烯塑料是聚氯乙烯树脂中加入抗氧化剂，增塑剂等制成的。含
增塑剂较多的成为软聚氯乙烯塑料，其性质柔软，耐摩擦，耐酸碱性，耐油性和电绝缘性好，在飞机上常用作电线和电缆的保护套，液压系统和冷气系统的密封垫。
3、酚醛塑料
酚醛塑料俗称电木，主要成分是酚醛树脂，其余是填料和颜料，它具
有较大的强度，良好的绝缘性，不易受溶液的侵蚀，能在100-130℃在工作。以布，玻璃布作为填料的酚醛塑料的抗拉强度和冲击强度的力学性能都很高，吸振性能也很好，应用在齿轮，滑轮，发动机架的缓冲器垫片，飞机操纵踏板，驾驶盘，配电盘等处。以石棉作为填料的酚醛塑料有很好的耐热性，耐磨性，用来制造飞机的刹车系统的零件。
4、环氧树脂塑料
环氧树脂塑料是向环氧树脂（环氧丙烷与二酚基丙烷缩聚而成）中加
入填料制成的一种热固性的塑料。航空工程应用较多的是玻璃纤维作为填料的环氧树脂塑料（玻璃钢），其强度大，有良好的绝缘性和化学稳定性，吸湿性用于制造雷达天线整流罩等绝缘零件。另外环氧树脂和金属，木材，陶瓷，橡皮，玻璃都有较好的粘结性，所以还用好制造胶粘剂和涂料。
三、胶黏剂在飞机上的应用
胶黏剂是一种具有良好粘合性能，能将各种相同或是不同的材料牢固地
粘合在一起的物质。任何型号的飞机都有需要密封的区域，例如承受空气增压的密封舱，阻止燃油渗漏，气味窜流，腐蚀性液体侵蚀等结构区域。胶黏剂已成为现实飞行器零部件连接的重要材料之一，广泛用于各种结合面的连
接。现代飞机的结合面有67%左右时用胶黏剂连接的。飞机上应用胶黏剂有如下的特点：⑴可以减轻飞机的结构质量，增加航速，如大型的雷达采用胶黏后质量可减轻20%。不仅如此，机体表面采用胶黏后，光滑平整保证了良好的气动力外形，有利于改善飞机的飞行性能，增加飞机的飞行速度。⑵采用胶黏时，整个胶接面能承受载荷，应力分布均匀，因此抗剪强度和抗压强度高。⑶胶连结构具有密封和防腐的作用，飞机上的一些部位都要制作成密封隔舱，对于这些隔舱来说，燃油和空气被密封住。这种材料的应用使得防腐效果有了很大的进步。⑷胶连可以在较低的温度进行，这样可以避免敏感的部位受到损坏。下面介绍一下飞机上常用的胶黏剂。
1、酚醛树脂胶
1.1 E-5胶
由酚醛树脂，聚乙烯醇缩甲乙醛树脂，酚醛环氧树脂和丁腈橡胶作为
主要原料。具有良好的韧性和密封性，适用于铝，钢等金属之间的连接。
1.2 酚醛-丁腈胶（J-03）
由酚醛树脂与丁腈橡胶在有机溶剂中冷混而成。具有良好的耐热性，
耐寒性，优异的弹性和良好的粘结性，适用于胶结各种材料或是制作蜂窝结构。
1.3 204胶
由酚醛-缩醛型胶加有机硅化合物组成。常温到250℃都有满意的强
度，适用于钛合金和硬铝等金属材料和蜂窝结构的胶连。
2、环氧树脂胶
环氧树脂俗称“万能胶”。由环氧树脂，胺类或是酸酐，无机填料按一定的
比例配成。航空中常用有：自力-3，H-703，HYJ-6三种。
2.1 自力-3
具有优良的抗疲劳强度，固化过程挥发物少。适用于金属和非金属的
连接。
2.2 H-703
它耐老化和耐水性能好，用于胶结不锈钢，铜等金属和玻璃，陶瓷，
木材等非金属材料。
2.3 HYJ-6
具有良好的耐淡水，海水，乙醇，丙酮，燃油和耐气性，适用于金属
和玻璃钢的大面积的胶结。
3、101胶（聚氨酯胶）
101胶具有良好的粘结性，如软性，绝缘性，耐水性和耐磨性用于铝，钢，
玻璃等材料胶结，还用做尼龙等织物，皮革，涤纶薄膜上的涂料。
四、橡胶在飞机上的应用
橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两种。然而天然橡胶的产量和性质都不能
满足需要，工业上使用的橡胶制品都是经过硫化处理的。 这样，橡胶就具有不溶解，不熔融的性质；力学性能也有提高；克服了橡胶因温度升高而变软发粘的缺点。飞机上采用橡胶制成的零部件有：机轮的外胎和内胎，软硬油箱的保护套，各种缓冲器，密封零件，绝缘零件等。飞机上的窗口，检查孔和小门等都采用各种橡胶型材料进行密封。用量不是很多但是占有很重要的地位。下表-1是飞机上常用的合成橡胶。
表-1
五、含氟高分子材料在飞机上的应用[1]
目前，在航空工业上常见的含氟材料制品包括：氟塑料，氟橡胶，夫涂
料，氟化有机玻璃等。表-2是含氟材料在飞机上的主要使用形式和用量。
表-2
1、氟硅橡胶 氟橡胶具有高度的化学稳定性，有很好的耐高温，耐油类的特性。在飞机上
应用了这种橡胶后使得零件的平均耐温等级提高100℃，飞机上已经有几百个密封件，标准件使用这种材料。但是与通用橡胶相比，氟硅橡胶的加工工艺性，粘结性及低温性能较差，成本也较高。所以它们多用于通用橡胶不能胜任的高温介质环境中。
2、氟涂料
氟涂料的显著特点有高耐侯性，使用寿命可达20a以上，真正有希望实现涂
层与有机体统寿命的目标；高防腐蚀性；高耐热性；这些优点正好补充了聚氨酯涂料在苛刻使用环境下耐久性差，使用3-4a侯明显失光，变色，老化的弱点，因而，使用好氟氨酯涂料可以显著延长蒙皮涂料的使用寿命，提高了飞机的防腐能力。
3、含聚四氟乙烯的自润滑复合材料
固体润滑材料的发展和应用已有较长的历史，但自润滑复合材料在工业上的
广泛应用还是20世纪60年代以后的事。它的出现，满足了航空航天和其他新技术产品在苛刻条件下的润滑需要，成为润滑领域里的一类新型材料。目前，飞机上常见的自润滑复合材料主要有DU型和背衬型两种形式。主要用于制作轴承衬套，重要转动机构衬套，具有抗微动摩擦磨损要求的零件。DU型用于承载要求较低的部位，背衬型用于承载要求较高的部位。
4、膨胀聚四氟乙烯制品
超高分子量聚四乙烯树脂经特殊拉伸工艺可以制备出一种新型膨胀化聚四
氟乙烯（EPTFE）制品，这种制品广泛应用于医学，纺织，化工等领域是今年来蓬勃发展的新型氟材料。在航空领域主要用做结构密封，它有以下的优势：密度小，是传统密封材料的一半左右；使用温度范围宽；耐老化性能优异；施工容易，维护简便。下面的图片是在飞机上的EPTFE典型应用。
使用膨化聚四氟乙烯密封型的空客飞机结构壁板
使用膨化聚四氟乙烯密封型材的空客飞机水平尾翼油箱舱
六、聚磷腈高分子材料在飞机上的应用[2]
聚磷腈作为三类无机聚合物之一，由于具有良好的光、热稳定性，抗氧
化性，耐水、耐溶剂、耐油类和化学品、耐辐射、耐高低温，生物相容性好和不燃烧等优良性能，在国外已经广泛应用于航空航天工业上。
1、织物阻燃材料
目前，广泛应用的织物阻燃主要是胺化磷腈(TAP，结构式见图)
它不但含有丰富的P、N 元素， 可起到很好的阻燃效果，而且不含卤素，毒性小，并且其结构与纤维素的结构单元相似，用其阻燃整理的织物手感好，对纤维织物的物理性能影响小。这种材料良好的阻燃性能被应用在飞机的降落伞上。美国Avtex 纤维公司[3]成功开发出牌号为“Durvil”的聚磷腈阻燃人造纤维。
2、阻燃泡沫橡胶
目前，每架飞机约需要2t泡沫橡胶。聚氨酯(PU)由于其优异的耐久力和
形状恢复能力被广泛应用，但PU阻燃能力非常差。近年来，一些改性PU泡沫用作航空坐垫已经通过了美国联邦航空局的测试，这些PU材料主要用含卤橡胶、化学添加阻燃剂或膨胀石墨进行改性。1993年，美国海军在直升机上试用了聚磷腈[4] (PZN)橡胶(EYPEL-A 型)用作坐垫。
3、胶黏剂
聚磷腈胶黏剂[5]具有突出的耐热性能，300℃以上有较好的耐热性和黏
结性能(对金属粘接剪切强度为200MPa以上)，并且其抗冲击韧性比无机盐胶黏剂 好得多。聚磷腈胶黏剂主要用于高温作业下如火箭、导弹、飞机等有关耐高温部件的金属、陶瓷和玻璃钢等工件的粘接。典型的聚磷腈胶黏剂合成见下图：
4、耐高温阻燃涂层
磷腈化合物组成的多环状聚磷腈高聚物，具有极高的热稳定性，是重要
的耐高温、阻燃高分子材料。由六氯环三磷腈和多元胺(三聚氰胺、六次甲基四胺、对苯二胺等) 反应生成的模压高分子材料，可用作导弹或其他航天器头部的耐高温、阻燃涂层防护材料。磷腈网状高分子材料还可与陶瓷进行复
合，形成现代军事装备所需要的陶瓷涂层材料，该涂层材料能承受1200℃以上的高温。
5、密封材料
由于聚磷腈材料的优良性能，人们将它作为航天、航空及军用部门密封
件的首选材料。Singler等人[6]对氟磷腈用于飞机密封材料进行了研究，研究结果也表明该材料在航空航天业密封材料的应用前景非常广阔。用氟硅橡胶作动态密封件常常会引起泄漏，而改用氟化聚磷腈橡胶，这一问题即可解决。
6、润滑材料
聚磷腈润滑油[7-8]具有阻燃性好，低蒸气压，宽使用范围，热稳定性好，弹性优良，经摩擦作用分解后可形成润滑膜等性能，适用于钢、铝、铜、硅、氧化硅、碳化硅和氧化铝等部件的润滑，可广泛应用于高温工程领域，需要低挥发性的空间平台领域，需要良好表面亲和力的微电子领域。Nader等人[9]用四球摩擦磨损试验机研究了芳氧基磷腈化合物的抗磨和减摩特性。结果表明，芳氧基三聚磷腈XP(结构式见下图)有低倾点(-15℃)、高氧化稳定性和良好的减摩抗磨作用。 进一步研究表明，在300℃，45 N 或135 N 负荷下，对M50钢或SS400钢，XP 的摩擦系数仅为0.03，润滑性能优于目前用的聚苯醚类润滑油，适用于飞机发动机涡轮等的润滑。
七、结语
以上可以看出高分子材料已经在飞机的制造和维护中有了广泛的应用，
可以说现代的飞机如果离开了高分子材料它将飞不起来。人们也在努力的研发具有特殊功能的高分子材料以满足飞机性能提升的需要。高分子的材料的应用是人类使用物质材料的一次革命。越来越成熟的高分子材料的制作技术
和新型多功能高分子材料的研发更好的不断满足了人类社会发展的需要。物质社会的发展也必将给高分子材料的发展强大的推动作用。
参考文献
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