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借助现代航空技术的发展,人类今天已能在广阔无垠的天际自由翱翔。而安全轻便的空中旅程,离不开推陈出新的航空材料。所谓“一代材料,一代飞机”,每架具有里程碑意义的飞机身上,都凝结着时代最前沿的材料技术。
2015年,中国的上空就出现了一架划时代的飞机。今年3月从阿联酋阿布扎比起飞的阳光动力2号,在尝试人类历史上首次太阳能动力环球飞行途中,经过中国重庆与南京,并在两个城市短暂停留。阳光动力2号的体积接近空客A380,而重量只有2.3吨,跟一辆小型吉普车不相上下。没有油箱,飞行过程中不依靠任何化石燃料,长达72米的机翼上镶嵌着的太阳能电池就是它全部的能量来源。一路飞来,阳光动力2号不仅要在零排放、零污染的情况下实现长距离飞行,更重要的是它要承受复杂多变的高空环境,确保飞行员的安全与健康。而这为优质的高性能航空材料技术提供了大展身手的机会。
作为首席材料技术提供者,比利时索尔维集团自03年项目伊始,就集结了位于比利时、德国、意大利、巴西和美国的顶尖研发团队,全力支持阳光动力号的开发。在二代飞行器上,索尔维为其25个相关应用贡献了近6000个零部件。其中,索尔维特种聚合物事业部扮演了尤其重要的角色。
身材更轻盈
轻量化是“低油耗”飞行的关键。众所周知,热塑性复合材料已被广泛应用于商业飞机的结构、功能和装饰件。在一些先进客机上,复合材料的重量甚至超过了金属材料,占机身总重的50%以上。而在阳光动力2号轻量化的背后,来自索尔维特种聚合物事业部的三款材料——KetaSpire® 聚醚醚酮(PEEK)、PrimoSpire®自增强聚苯醚(SRP)和Ixef®聚芳香酰胺(PARA)——做出了最大的贡献。
PEEK是性能最好的热塑性塑料之一。索尔维KetaSpire® PEEK具有出色的抗疲劳强度,可以提高20%的抗冲击强度和60%的延展性。虽然在耐化学性上与 PPS(聚苯硫醚)相似,但PEEK 能在更高温度下操作,即使在240°C (464°F)的温度下连续使用,依然能保持优异的机械特性。2014年,索尔维五种KetaSpire® PEEK牌号的材料都成功获得了中国商用飞机有限责任公司(COMAC)的质量认证,将用于后者下一代飞机的制造。
PrimoSpire® SRP是世界上强度和硬度最高的未增强塑料。即使没有纤维增强,该材料也具有可媲美增强塑料的拉伸特性。此外,它还拥有重量更轻、无延展性损失等额外优势。这些综合特性共同造就了阳光动力2号机翼内部许许多多紧固零件和螺栓。而由此及彼,PrimoSpire® SRP也为普通商业飞机的轻量化提供完美的构件、扣件及机械部件解决方案。和KetaSpire® PEEK一样,PrimoSpire® SRP也广泛应用于连接器、发电机设备、外部轻型机械部件、油箱检修门、止推垫圈、轴承、夹紧螺母、发动机挡板、ECS 管道和短管等。
与前代阳光动力1号相比,阳光动力2号以塑料气缸取代金属气缸升降起落架舱门,此举成功地将气缸重量降低了20%。而成就这项航空业发展先河的“幕后英雄”便是索尔维Ixef® PARA。Ixef ® PARA是一种流动性极高的树脂,用Ixef ® 树脂制造的结构组件可兼备薄、硬、结实以及尺寸稳定的特点,使精确模压的专业部件既轻巧又拥有高度的机械性能。即便玻璃纤维负载量较高,平滑的多树脂表面仍然能呈现高光泽、无玻璃质纤维的表面,再通过油漆、金属电镀或注塑形成自然反射的外壳。内部强度与表面美观的独特组合使Ixef ® PARA常应用于机舱内部的结构及装饰性零件,如座椅零件等。
结构更牢固
虽然在重量上与普通飞机不可同日而语,但说到安全性,阳光动力2号丝毫不会逊色。长达70米的翼梁上,使用了一种创新的“三明治”结构,即在两层碳纤维薄膜的中间,还分布着一层“蜂窝”状的结构材料,那是浸透着索尔维Torlon® 聚酰胺-酰亚胺(PAI)聚合物的纸制品。这种改良后的复合结构结合了出色的强度、扭力和挠度性能,能够支撑起阳光动力2号上的144根翼肋和覆盖于上面的约1.2万块弧形太阳能电池。而Torlon® PAI这种高强度塑料,在高达 275℃的温度环境下,仍具有优异的强度和刚度。高度的耐磨损性、抗蠕变性和耐化学性让它能轻松驾驭高空飞行所要面临的恶劣环境。
Torlon® PAI综合了热固性聚酰亚胺的出色性能与热塑性塑料在熔融加工方面的优势。与大部分高级工程塑料相比,Torlon® PAI的抗压强度更高、抗冲击性更强。在普通飞机上,Torlon® PAI的应用范围涵盖了构件和扣件、机械和结构部件、传动/动力系部件、电动马达部件、轴承护圈、齿轮、轴衬、密封件、止推垫圈等。
功能更全面
阳光动力2号机体采用的众多轻量、高强度材料中,还有一种全新开发的超薄聚合物薄膜Halar® ECTFE。这层机翼蒙皮的厚度仅有17-20微米,而同类产品往往需要至少26微米。在为机身减重的同时,它还被赋予了独一无二的作用。原来,太阳能电池常用的玻璃-环氧树脂基板在湿度环境中极易受潮,之前的阳光动力1号就出现过这种情况。这次,采用Halar® ECTFE蒙皮对太阳能电池板进行双面处理,问题迎刃而解!现在,阳光动力2号周身17428块、总面积达300平方米的太阳能电池板均经过密封处理,Halar® ECTFE让它变成了一架真正防水的太阳能飞机!
那么,Halar® ECTFE的“庐山真面目”到底是什么呢?它是乙烯和三氟氯乙烯的共聚物,是一种半结晶性、可熔融加工的含氟聚合涂料。由于其独特的综合特性,Halar® ECTFE 尤其适合保护性和防腐性应用,可用作普通飞机的保护性和装饰性薄膜,提供良好的阻燃性、耐化学性和防水性能。
高科技航空材料的引领者
当前,中国航空运输市场正发生巨大变化,航空制造业潜力巨大。索尔维特种聚合物事业部作为索尔维集团最重要的事业部之一,一直致力于深度开发面向航空领域的轻型合成材料,推动中国航空业的发展“冲上云霄”。
索尔维特种聚合物事业部是世界上产品系列最丰富、性能最多样的特种聚合物生产企业之一,向市场提供35个品牌,1500多种高性能聚合物产品,涵盖氟聚合物、氟橡胶、氟流体、半芳香族聚合物、砜类聚合物、芳香族超聚合物、高阻隔性聚合物和可交联型高性能化合物。