2015年6月，一則某廉價航空公司用膠黏劑維修飛機的消息在網(wǎng)絡上傳開，引起一片嘩然。事發(fā)時，英國一家廉航的維護人員用膠帶修理飛機引擎外殼，正好被大感震驚的乘客拍下并上傳到網(wǎng)絡，最終被每日郵報所報導。一時間，網(wǎng)絡上眾說紛紜，有人驚呼是豆腐渣飛機；有人義憤填膺，稱航空公司不重視乘客的生命安全；還有的當即表示再也不搭乘該航空公司的飛機。然而，在一片質(zhì)疑聲中，也有理性的聲音指出，對于航空制造業(yè)中使用的材料，不能因為名稱和外觀的類似就簡單的和日常生活中的普通材料等同視之。
那么，事實的真相為何？聽聽航空專家怎樣解釋吧。原來，用于飛機引擎外殼維修的膠帶并非我們?nèi)粘Ｓ玫钠胀z帶，而是以鋁箔為基底材料，高強度丙烯酸為粘結(jié)介質(zhì)的特種膠黏劑，屬于飛機快速維修的常用材料，在航空領域已有多年的服役歷史，并非居家常備的一般膠帶。
這是材料科學的發(fā)展顛覆我們固有認知的一個簡單事例。例如，形容事務堅固時，我們常以“鋼鐵鑄就的”來比喻，而“紙糊的”通常被用于比喻不牢靠的結(jié)構。然而，自上世紀初以降，以1872年拜爾合成酚醛樹脂，1907年貝克蘭提出合成酚醛樹脂的加熱固化法為標志，高分子化學得到了長足的發(fā)展，人工合成高分子材料的性能和工藝性早超越了天然高分子，并具備在一定領域內(nèi)超越金屬材料取而代之的潛力。以高分子膠黏劑為例，雖然上世紀20年代才開始得到發(fā)展，但在二戰(zhàn)時期，聚氨酯、異氰酸酯、環(huán)氧樹脂等膠黏劑在軍事工業(yè)領域飛躍式發(fā)展并得到大量應用，一時間各種合成路徑和工藝技術百花齊放。經(jīng)工藝改進后，目前廣泛使用的環(huán)氧結(jié)構膠黏劑，其鋼-鋼粘接強度可達50MPa，膠接接頭中的未淬火高強鋁合金會先于膠黏劑發(fā)生破壞。
在這股高分子的發(fā)展大潮中，又以對材料輕質(zhì)化極為重視的航空制造業(yè)受到的影響最大。在發(fā)展的早期，飛機結(jié)構最主要的連接方式是螺接、鉚接和焊接，膠黏劑材料主要用于飛機內(nèi)飾等非承力部位的連接，用量較少，技術含量不高。可是，隨著對飛機航行速度、機動性能和安全性要求的提高，局面發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。首先，螺接和鉚接采用的大量鋼釘嚴重增加了飛機的重量，同時，在連接的釘孔處會造成被連接材料的應力集中，增加了材料被破壞的風險，使得薄壁型材難以得到應用。此外，在飛機外表面突出的螺釘和鉚釘還會影響飛機的氣動外形。焊接雖然不會帶來應力集中的問題，但焊接時的高溫可能會對焊接區(qū)域周邊造成破壞，同時被焊接材料形變較大，間接降低了零件的制造精度。若能采用具有高粘接強度的結(jié)構膠黏劑進行膠接，可在回避上述所有缺陷的同時，降低飛機的重量。如美軍Ｆ-86Ｄ噴氣式飛機機減速板鉚接改為膠接后，重量由12.5kg降至8kg。我某型機機身改為膠接，重量減輕約15%，某預警飛機雷達罩改為膠接后，重量減輕約20%。
遺憾的是，帶來這次技術發(fā)展的背后推手仍然是戰(zhàn)爭。二戰(zhàn)期間，為不斷提高戰(zhàn)機性能，以對敵方空軍形成技術壓制，膠黏劑的航空應用完成了從非結(jié)構向結(jié)構膠的快速轉(zhuǎn)變。自此，結(jié)構膠黏劑在飛機上的應用范圍越來越廣。時至今日，結(jié)構膠黏劑已被廣泛的應用在飛機的主、次級承力結(jié)構和各種功能部件上。此外，與二戰(zhàn)時期相比，航空結(jié)構膠除對其抗拉伸、剪切、剝離和劈裂性能有最低要求外，隨著飛機飛行速度的提高，高速空氣摩擦產(chǎn)生的熱量也對結(jié)構膠黏劑的耐溫性能提出了更高的要求。
如今，根據(jù)飛機設計飛行速度的不同，航空結(jié)構膠黏劑被要求能在80℃、150℃和260℃長期使用。根據(jù)美軍對結(jié)構膠黏劑性能的要求《MMM-A-132B》，耐80℃和150℃的結(jié)構膠適用于飛行速度在2倍音速以下的旋翼和固定翼飛機，通常采用環(huán)氧樹脂作為主體材料，膠接對象為鋁合金或具有與膠黏劑相同耐溫等級的纖維增強復合材料；耐260℃的結(jié)構膠則主要用于飛行速度超過2倍音速的超高音速飛機，通常采用雙馬來酰亞胺樹脂或氰酸酯樹脂作為主體材料，膠接對象為不銹鋼、鈦合金或具有與膠黏劑相同耐溫等級的纖維增強復合材料。
航空結(jié)構膠接的形式
文章開頭提到民用飛機引擎蓋的常規(guī)維修，并不屬于飛機主承力結(jié)構的膠接范疇，飛機的主承力結(jié)構，是指機翼、方向舵、機身的框架和蒙皮等部位。結(jié)構膠黏劑在飛機上的應用范圍如圖所示，包括板-板、板-桁條、板-芯材和骨架-板等多數(shù)飛機結(jié)構均可通過結(jié)構膠黏劑連接，其中骨架指機身和機翼的框架結(jié)構，而芯材指泡沫、蜂窩板等低密度的減重材料。
芯材
用芯條制作紙峰窩
“紙糊的”蜂窩芯材
芯材在飛機、動車等高速交通工具中應用廣泛。這類材料內(nèi)部存在大量的孔穴，因此表觀密度極低，同時又具有優(yōu)異的抗壓縮和抗彎曲性能，因此大量應用在機身、機翼等厚度較大的部位。其中芳綸紙蜂窩就是一個有代表性的例子。
芳綸纖維具有優(yōu)異的拉伸強度，是制造凱芙拉防彈衣的主要原材料，在上世紀60年代由美國杜邦公司首次成功合成。將芳綸纖維切成短纖，用膠黏劑粘連，可制成芳綸紙。將芳綸紙裁成長條后，按下圖將芳綸紙條（芯條）用芯條膠錯位固化粘接后，沿芯條疊加的方向拉伸，即可制成芳綸紙蜂窩。紙蜂窩的每個孔穴都呈大小相同的正六邊形，在厚度方向有極高的抗壓強度。通常，芳綸蜂窩制成后，還要用酚醛樹脂浸透，提高蜂窩的剛度和強度。
全部成分只包括了紙和膠水，芳綸紙蜂窩可說是一種典型的“紙糊”材料，而今卻在航空領域大展拳腳。以我國某型號直升機為例，采用了蜂窩夾層件280多個，用量超過260平方米，蜂窩覆蓋面積占整機的80%。
不只是蜂窩，為了飛機能飛的輕快又省油，同時不斷增大飛機的載重量，飛機設計者更傾向于在飛機上大量將金屬材料替換為性能接近的各類高分子材料。已連續(xù)纖維增強高分子復合材料為例，在最先進的寬體民航客機A380和B787中，復合材料的占所有材料的質(zhì)量百分比已分別達到24%和50%，在飛機外側(cè)蒙皮上，復合材料占比更多。從下圖中B787客機的材料組成來看，飛機表面絕大多數(shù)材料為纖維增強樹脂基復合材料。
采用上述材料的主要原因與芳綸紙蜂窩類似，那就是此類材料極高的比強度。以拉伸強度為例，低級別的T300級碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的軸向拉伸強度就可達到1500MPa以上，更先進的T800級碳纖維增強雙馬樹脂基復合材料的拉伸強度則可達2500MPa以上，壓縮強度則在1100MPa以上。與此相比，2024、7075等高強度鋁合金的拉伸強度，只有500MPa左右，而比強度最高的鈦合金如TC4、TC16、TC21等的拉伸強度均在1000MPa上下。同時，高分子材料的重量輕得多。一般高分子材料的密度ρ≈1.2g/cm3，比起金屬中重量最輕的鋁（ρ≈2.7g/cm3）和比強度最高的鈦（ρ≈4.5g/cm3）都要輕不少。即使是經(jīng)過纖維增強的高分子基體復合材料，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領域已勢不可擋的速度大范圍應用的同時，大自然在意想不到的領域向飛機和材料科學家們提出了考驗。
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