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工程塑料在航天航空领域的应用

工程塑料在航天航空领域的应用

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【摘要】:
工程塑料的性能使其适用于航空航天的独特应用,这就是为什么过去45年中,工程塑料零部件在航空航天设计中的使用翻了两番。    工程塑料的重量比金属轻得多,这使其适合用于更动态的设计和更轻质的飞机零部件,并且能带来巨大的燃料节约。在重量强度比上的优势意味着,要达到同等强度,工程塑料重量只有金属的七分之一,或是铝的一半。工程塑料还可为飞机恶劣环境的应用提供耐腐蚀性,以及相对较高的热稳定性和机械稳定性。 

     工程塑料的性能使其适用于航空航天的独特应用,这就是为什么过去45年中,工程塑料零部件在航空航天设计中的使用翻了两番。

 

     工程塑料的重量比金属轻得多,这使其适合用于更动态的设计和更轻质的飞机零部件,并且能带来巨大的燃料节约。在重量强度比上的优势意味着,要达到同等强度,工程塑料重量只有金属的七分之一,或是铝的一半。工程塑料还可为飞机恶劣环境的应用提供耐腐蚀性,以及相对较高的热稳定性和机械稳定性。

 

     和玻璃相比,透明塑料在航空制造中的应用也有几大优势。透明塑料零部件重量更轻,并能提供比玻璃更高的耐冲击性,而这对飞机来说正是一个关键的安全因素。透明塑料可以通过几种方法成型,并制作成坚固、透明而又复杂的零部件。

 

      在许多飞机应用中,对于轴承和轴都要求有高的表面润滑性,但有时候因为其所处的位置而很难润滑。新的自润滑塑料技术在许多情况下可以解决这个问题,并能实现长的使用寿命而无需最低限度的维护。

 

      作为一种高效的电绝缘体,工程塑料是一些航空航天应用的第一选择。许多工程塑料具有这种天然的绝缘能力,因而提供了大量的材料选择,不过有一些工程塑料提供的是接近零的电导率。在军事应用中,工程塑料对于雷达来说是一种有效的绝缘材料,用来防止被发现。

 

     此外,工程塑料在设计中能提供极大的灵活性。如今,工程师有着许多种高性能的热塑性塑料和复合材料可供选择,可以很好地满足任何应用的高要求。

 

     最后,工程塑料零部件的制造总体来说比较经济,关键是从广泛的制造方法中选出适合大多数项目的最佳方法。

 

航空工程塑料零部件的演变

 

     从历史来看,航空航天工业和塑料工业起飞的时间点非常接近——都是在二次世界大战。

 

      战争的出现加速了战斗中使用的飞机的发展。1940年,美国总统罗斯福增加了军用飞机的年生产量,从10000增至50000以支持战争。同时,战时关键工业材料如金属和橡胶出现短缺,快速推动了塑料在制造业中的应用,包括航空制造。

 

      航空制造业的工程师起初是使用乙烯基材料来更换橡胶零件,特别是在燃料箱内壁和飞行员靴子。之后塑料被用于制造覆盖雷达装置的天线罩。由于对电磁波几乎透明,塑料被迅速投入使用,以使传输最大化。

 

 

    随着工程师发现了新的方法来利用工程塑料的性能,成功的连锁反应由此被引发。在 20世纪60年代和70年代,高性能工程塑料的发展打开了新的大门。今天,航空工程塑料零部件被广泛投入FAA批准的零件市场,这种最快、最具成本效益的材料能帮助航空制造商获得所需的零部件。工程塑料零部件大量出现在航空航天领域,从机身零部件到衬套、轴承、支架以及更多。

 

      航空应用中的许多工程塑料零部件是机械加工的,而不是成型或挤压的。当需要替代的零部件数量有限时,机械加工是最好的选择,这是因为能实现非常高的性能和精度,以及航空航天设计所需的非常紧密的公差。

 

      此外,机械加工通常要便宜得多。除非你要生产数量庞大的零部件,否则开模费用就会相当不划算。一个注塑成型模具的成本可能高达3万美金。如果你需要几千个某种零件,那开模成本是可以接受的,但航空业通常一次只需要一百个或更少。

 

     显然,替代的零部件必须由相同的塑料制成。不久以前,航空制造商会向塑料供应商提供原始零部件的样品用来复制。现在,他们让塑料工程师直接从CAD设计来得到FAA批准的样品。

 

航空用工程塑料

 

     由于有着如此之多的高性能工程塑料供选择,工程师可以为任何给定的应用选择最佳的材料。下面介绍几种常用于航空领域的工程塑料。

 

     迭尔林(聚甲醛树脂)(POM)——这种材料能缩小金属和普通塑料之间的差距,结合了抗蠕变性、强度、刚度、硬度、尺寸稳定性和韧性。它防溶剂,防燃油,耐磨损,低磨损,低摩擦。其基本的机械表面性能使轴承能承受中度的磨损。

Ultem聚醚酰亚胺——这是一种无定形热塑性聚醚酰亚胺(PEI)材料,结合了机械性能、热性能和电气性能。其机械强度、耐热性、耐腐蚀性等特性,以及易于加工和表面处理,让其能用于许多航空航天的应用。

聚碳酸酯(PC)——这是一种经久耐用的高性能塑料,它很容易加工,能提供出色的耐热性,并且由于其透明度而是光学元件的首选。它是一种高强度材料,冲击强度是压克力的25倍。

聚醚醚酮(PEEK)——这是一种兼具强度、刚度、硬度的聚合物,对于涉及高温、高湿和重负载的应用是一种理想选择。聚醚醚酮融合了抗磨损、耐化学性和耐湿性以及强度和刚度。它还显示出良好的摩擦性能和耐磨性。它提供耐水解性,并可以暴露在高压水和蒸汽中持续很长一段时间,也不会出现严重的降解。由于其耐高温性,当加工温度超过常规塑料能承受的极限时,聚醚醚酮将是一种理想选择。

聚酰亚胺PI(Torlon)——这种塑料可以承受很高的温度。此外,Torlon可以提供出色的强度、韧性和刚度,以及耐久性和抗冲击性。其耐热性和抗压性,再结合自润滑性能,使其非常适合用于轴承。

尼龙(Nylon)——一种核心材料,主要是由于其韧性和强度。它耐磨损,具有良好的耐磨性。它也很容易加工,轻巧,而且具有高的成本效益。由于其出色的耐磨性,常常能替代金属、橡胶以及其他材料的零部件。

超高分子量(UHMW)材料——当工程师想要提高设备效率,提高其耐磨性、降噪性能时,会选择超高分子量聚乙烯来制作塑料零部件。UHMW也提供优异的性能,包括温度、抗冲击、抗磨损。它具有比钢或铝更低的摩擦系数。

聚四氟乙烯(Teflon)—— 这是一种碳氟化合物,能很好地应用于从高温和化学环境到需要高纯度和惰性的地方。它能在范围广的温度和高负载下保持其性能,在航空工业中,它通常用于密封和耐化学性的应用。

聚砜(Polysulfone)——这种材料具有高的热稳定性,制成的零部件在连续负载和高温下能保持稳定以及抗蠕变和抗变形。它具有高的拉伸强度,并且随着温度的升高,弯曲模量仍然很高。聚砜是高度耐无机酸水溶液和氧化剂的,而且即使在高温和适度的压力水平下,它仍然能抵抗许多非极性溶剂。

随着航空航天工业的发展,工程塑料及其应用也随之发展。由于工程塑料具有的独特综合性能,并且工程塑料新材料在不断发展,我们有理由相信工程塑料将继续在航空航天工业的创新中发挥关键作用。

 

内容来源:网络

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