2015年6月，一则某廉价航空公司用胶黏剂维修飞机的消息在网络上传开，引起一片哗然。事发时，英国一家廉航的维护人员用胶带修理飞机引擎外壳，正好被大感震惊的乘客拍下并上传到网络，最终被每日邮报所报导。一时间，网络上众说纷纭，有人惊呼是豆腐渣飞机；有人义愤填膺，称航空公司不重视乘客的生命安全；还有的当即表示再也不搭乘该航空公司的飞机。然而，在一片质疑声中，也有理性的声音指出，对于航空制造业中使用的材料，不能因为名称和外观的类似就简单的和日常生活中的普通材料等同视之。
那么，事实的真相为何？听听航空专家怎样解释吧。原来，用于飞机引擎外壳维修的胶带并非我们日常用的普通胶带，而是以铝箔为基底材料，高强度丙烯酸为粘结介质的特种胶黏剂，属于飞机快速维修的常用材料，在航空领域已有多年的服役历史，并非居家常备的一般胶带。
这是材料科学的发展颠覆我们固有认知的一个简单事例。例如，形容事务坚固时，我们常以“钢铁铸就的”来比喻，而“纸糊的”通常被用于比喻不牢靠的结构。然而，自上世纪初以降，以1872年拜尔合成酚醛树脂，1907年贝克兰提出合成酚醛树脂的加热固化法为标志，高分子化学得到了长足的发展，人工合成高分子材料的性能和工艺性早超越了天然高分子，并具备在一定领域内超越金属材料取而代之的潜力。以高分子胶黏剂为例，虽然上世纪20年代才开始得到发展，但在二战时期，聚氨酯、异氰酸酯、环氧树脂等胶黏剂在军事工业领域飞跃式发展并得到大量应用，一时间各种合成路径和工艺技术百花齐放。经工艺改进后，目前广泛使用的环氧结构胶黏剂，其钢-钢粘接强度可达50MPa，胶接接头中的未淬火高强铝合金会先于胶黏剂发生破坏。
在这股高分子的发展大潮中，又以对材料轻质化极为重视的航空制造业受到的影响最大。在发展的早期，飞机结构最主要的连接方式是螺接、铆接和焊接，胶黏剂材料主要用于飞机内饰等非承力部位的连接，用量较少，技术含量不高。可是，随着对飞机航行速度、机动性能和安全性要求的提高，局面发生了逆转。首先，螺接和铆接采用的大量钢钉严重增加了飞机的重量，同时，在连接的钉孔处会造成被连接材料的应力集中，增加了材料被破坏的风险，使得薄壁型材难以得到应用。此外，在飞机外表面突出的螺钉和铆钉还会影响飞机的气动外形。焊接虽然不会带来应力集中的问题，但焊接时的高温可能会对焊接区域周边造成破坏，同时被焊接材料形变较大，间接降低了零件的制造精度。若能采用具有高粘接强度的结构胶黏剂进行胶接，可在回避上述所有缺陷的同时，降低飞机的重量。如美军Ｆ-86Ｄ喷气式飞机机减速板铆接改为胶接后，重量由12.5kg降至8kg。我某型机机身改为胶接，重量减轻约15%，某预警飞机雷达罩改为胶接后，重量减轻约20%。
遗憾的是，带来这次技术发展的背后推手仍然是战争。二战期间，为不断提高战机性能，以对敌方空军形成技术压制，胶黏剂的航空应用完成了从非结构向结构胶的快速转变。自此，结构胶黏剂在飞机上的应用范围越来越广。时至今日，结构胶黏剂已被广泛的应用在飞机的主、次级承力结构和各种功能部件上。此外，与二战时期相比，航空结构胶除对其抗拉伸、剪切、剥离和劈裂性能有最低要求外，随着飞机飞行速度的提高，高速空气摩擦产生的热量也对结构胶黏剂的耐温性能提出了更高的要求。
如今，根据飞机设计飞行速度的不同，航空结构胶黏剂被要求能在80℃、150℃和260℃长期使用。根据美军对结构胶黏剂性能的要求《MMM-A-132B》，耐80℃和150℃的结构胶适用于飞行速度在2倍音速以下的旋翼和固定翼飞机，通常采用环氧树脂作为主体材料，胶接对象为铝合金或具有与胶黏剂相同耐温等级的纤维增强复合材料；耐260℃的结构胶则主要用于飞行速度超过2倍音速的超高音速飞机，通常采用双马来酰亚胺树脂或氰酸酯树脂作为主体材料，胶接对象为不锈钢、钛合金或具有与胶黏剂相同耐温等级的纤维增强复合材料。
航空结构胶接的形式
文章开头提到民用飞机引擎盖的常规维修，并不属于飞机主承力结构的胶接范畴，飞机的主承力结构，是指机翼、方向舵、机身的框架和蒙皮等部位。结构胶黏剂在飞机上的应用范围如图所示，包括板-板、板-桁条、板-芯材和骨架-板等多数飞机结构均可通过结构胶黏剂连接，其中骨架指机身和机翼的框架结构，而芯材指泡沫、蜂窝板等低密度的减重材料。
芯材
用芯条制作纸峰窝
“纸糊的”蜂窝芯材
芯材在飞机、动车等高速交通工具中应用广泛。这类材料内部存在大量的孔穴，因此表观密度极低，同时又具有优异的抗压缩和抗弯曲性能，因此大量应用在机身、机翼等厚度较大的部位。其中芳纶纸蜂窝就是一个有代表性的例子。
芳纶纤维具有优异的拉伸强度，是制造凯芙拉防弹衣的主要原材料，在上世纪60年代由美国杜邦公司首次成功合成。将芳纶纤维切成短纤，用胶黏剂粘连，可制成芳纶纸。将芳纶纸裁成长条后，按下图将芳纶纸条（芯条）用芯条胶错位固化粘接后，沿芯条叠加的方向拉伸，即可制成芳纶纸蜂窝。纸蜂窝的每个孔穴都呈大小相同的正六边形，在厚度方向有极高的抗压强度。通常，芳纶蜂窝制成后，还要用酚醛树脂浸透，提高蜂窝的刚度和强度。
全部成分只包括了纸和胶水，芳纶纸蜂窝可说是一种典型的“纸糊”材料，而今却在航空领域大展拳脚。以我国某型号直升机为例，采用了蜂窝夹层件280多个，用量超过260平方米，蜂窝覆盖面积占整机的80%。
不只是蜂窝，为了飞机能飞的轻快又省油，同时不断增大飞机的载重量，飞机设计者更倾向于在飞机上大量将金属材料替换为性能接近的各类高分子材料。已连续纤维增强高分子复合材料为例，在最先进的宽体民航客机A380和B787中，复合材料的占所有材料的质量百分比已分别达到24%和50%，在飞机外侧蒙皮上，复合材料占比更多。从下图中B787客机的材料组成来看，飞机表面绝大多数材料为纤维增强树脂基复合材料。
采用上述材料的主要原因与芳纶纸蜂窝类似，那就是此类材料极高的比强度。以拉伸强度为例，低级别的T300级碳纤维增强环氧树脂基复合材料的轴向拉伸强度就可达到1500MPa以上，更先进的T800级碳纤维增强双马树脂基复合材料的拉伸强度则可达2500MPa以上，压缩强度则在1100MPa以上。与此相比，2024、7075等高强度铝合金的拉伸强度，只有500MPa左右，而比强度最高的钛合金如TC4、TC16、TC21等的拉伸强度均在1000MPa上下。同时，高分子材料的重量轻得多。一般高分子材料的密度ρ≈1.2g/cm3，比起金属中重量最轻的铝（ρ≈2.7g/cm3）和比强度最高的钛（ρ≈4.5g/cm3）都要轻不少。即使是经过纤维增强的高分子基体复合材料，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领域已势不可挡的速度大范围应用的同时，大自然在意想不到的领域向飞机和材料科学家们提出了考验。
加载中...
