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【围观】国内外航空航天涂料差距有多大?

所属分类:行业动态    发布时间: 2021-06-19    作者:admin
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【围观】国内外航空航天涂料差距有多大?

航天涂料是指用于各种飞行器(飞机、导弹、火箭、卫星、飞船等)的专用涂料。航天、航空涂料除了传统的保护、装饰功能外,其重要性更大程度是体现在其特殊功能性,如耐高温、耐烧蚀、隔热、耐腐蚀、隐身、防腐蚀等,所以航天、航空涂料的技术水平在某种意义上代表着一个国家航空工业的发展水平。

北京时间2021年6月17日9时22分,搭载神舟十二号载人飞船的长征二号F遥十二运载火箭,在酒泉卫星发射中心准时点火发射,约573秒后,神舟十二号载人飞船与火箭成功分离,进入预定轨道,顺利将聂海胜、刘伯明、汤洪波3名航天员送入太空,飞行乘组状态良好,发射取得圆满成功。

20世纪80年代是我国处于改革开放及先进技术和工业发展的时代。在引进国外产品的基础上,从事航空涂料研究的单位已不限于20世纪60~70年代的几家,而且遍及大江南北、主要有原化工部涂料工业研究所、北京621所、天津油漆厂、上海涂料所和西安惠安化工厂等。相继推出13-2丙烯酸/聚氨酯磁漆、B04-6丙烯酸清漆、乳白丙烯酸/聚氨酯磁漆、有机硅/聚氨酯迷彩涂料、有机硅/聚氨酯磁漆和环氧/聚氨酯磁漆等新品种。产品性能不同,优缺点各异,已在国内各种机型上得到了不同程度的应用。其中有些品种的性能指标已达到国外同类产品水平,基本满足了国内飞机涂装的需要。

但是,随着航空、航天领域技术的飞速发展,对航空、航天涂料产品的技术水平提出了新的要求。国外针对这一变化进行了多领域多产品的跟进研究,国内的航空、航天涂料研制和生产企业担负着尽快加速自主研发、追赶世界先进技术水平的重任;航空、航天技术进步是一个国家工业体系是否完善、工业技术水平发展、研发能力建设的重要标志,涂料技术更是检验涂料技术的重要分支,功能性涂料技术进步甚至影响着我国航空、航天行业的发展水平。

1.主要涂料品种发展概括

1.1飞机蒙皮涂料

综观国外,航空涂料水平较先进的国家有美国、荷兰、德国和俄罗斯等工业发达国家。20世纪60~70年代,随着飞机性能的进一步提高,原来使用的醇酸、硝基类涂料,因其耐热性较差,耐气候、耐老化性能不好和易被污染而逐渐被环氧、丙烯酸、聚氨酯涂料代替。目前,国外的普通蒙皮涂料底漆一般采用环氧/聚酰胺体系或环氧/聚氨酯体系,特殊部位还采用鳞化底漆。而面漆体系则主要为丙烯酸、聚氨酯等,随着技术的进步,耐老化及耐沾污性能较好的氟硅、氟碳涂料也逐步被应用到飞机蒙皮涂料上。

我国飞机蒙皮涂料始于20世纪50年代,.初以C01-7长油醇酸涂料为主的醇酸类涂料曾经得到广泛的应用。20世纪70年代,我国航空涂料开始发展,中昊北方涂料院(原化工部涂料工业研究所)、北京621所、天津油漆厂均投入大量人力、物力进行研究。丙烯酸清漆、丙稀酸改性聚氨酯磁漆、聚氨酯磁漆和有机硅改性聚氨酯涂料产品相继研究成功,并广泛用于军用新飞机 的表面涂装。目前,国内仍然还是以采用环氧底漆和聚氨酯(聚酯、丙烯酸和各种改性聚酯)面漆体系的飞机蒙皮涂料为主要品种,其技术性能达到GJB和MIL标准。

国内飞机蒙皮涂料主要有以下几种类型:①双组分丙烯酸飞机蒙皮涂料;②双组分聚醋型聚氨酯涂料;③氟碳型飞机蒙皮涂料;④改性有机硅飞机蒙皮涂料。目前,国内飞机蒙皮涂料底漆和面漆的整体技术水平和国外同类产品相比还存在一定的差距,比如系列化程度不足、针对性不强、产品的应用范围较窄且工艺稳定性较差。氟硅、氟碳类的蒙皮涂料虽然也有部分应用,但是其技术成熟度不足,耐沾污等性能仍无法满足战机日常维护要求,不能大规模生产和应用,目前只局限于小批量试用。随着飞机航行速度不断提高,机身气动热随之提高(马赫数M=2.2时为150℃;M=2.5时为220℃:M=3时为320°C)。因此,能长期经受220℃:以上高温的普通飞机蒙皮涂料是重要的发展方向。

1.2 飞机舱室涂料  

飞行器座舱是飞行员工作的主要场所,座舱内保护涂料在满足较为苛刻的使用环境要求的同时,让飞行员在视觉和触觉方面能够感受到舒适,也须得到重视。现阶段国军标仅对涂层的光泽、颜色提出了具体要求,国内普遍采用半光丙烯酸/聚氨酯涂料作为飞机座舱内涂料,这类涂料在经过一定时间的使用后,经常出现磨损和脱落,虽不会对飞行安全造成危害,但是影响飞行员的感受;国军标中规定的半光涂料要求也不尽合理,在强烈光线照射下,半光涂层还是会产生较为强烈的反射光;因标准制定较早,对于涂层的质感未做要求,涂层让人感觉冰凉,没有亲和力。

现阶段,我国仿麑皮涂料、弹性涂料发展已经较为充分,产品性能完全能够达到座舱内保护涂料的技术指标要求;因这类涂料表面存在尺寸不一的轻微凹凸,在同样的光泽条件下不会产生强烈的反射光线,有利于飞行安全;这类涂料的触感极为舒适,飞行员有如置身高级轿车内,感觉非常温暖。

1.3飞机发动机涂料   

现代航空发动机金属材料多采用镁合金、铝合金、钛合金等,国外针对镁合金、铝合金的耐高温、防腐蚀涂料研究较为充分,如美国TELEFLEX公司牌号为SERMETEL的产品系列,耐温及防护性能十分优异,是罗-罗、波音、空客等国外企业指定..的发动机金属材料防护涂料;钛合金除了在其表面进行标注外通常不采用涂料进行防护。

中昊北方涂料工业研究设计院有限公司(以下简称“中昊北方涂料院”)针对TELEFLEX公司牌号为SERMETEL的产品进行了针对性研究,研制的TW-7涂料满足了我国型号任务的需要,成功应用于多种型号发动机的金属防护,替代进口产品。

传统的航空用铝合金与处理工艺中所用的六价铬盐对人体不安全,对施工工艺相关的毒害材料的控制、处理及管理带来严重危害和不必要的麻烦。从1982年期世界环境保护组织就提出限制使用铬酸盐和其他铬酸盐化合物。研制无铬、有效、价格低、环境友好的铬酸盐及缓蚀剂替代品和环境友好的转变层处理工艺是航空涂料界所迫切需要解决的问题,也是我们面临的新课题。

1.4飞机零部件涂料

1.4.1雷达天线罩涂料  

所有飞行器都需要得到保护,因为飞行器在太气中高速飞行,气动加热非常严重:同时飞行器还可能受到雨水、砂石等侵蚀,为保护天线罩以及内部的仪器仪表,天线外罩表面必须加以保护。

因飞行器不同和应用环境的差异,雷达罩保护涂料可以根据温度范围分为几大类:①使用温度常温到250℃的弹性聚氨酯保护涂料;②使用温度250-400℃的耐高温保护涂料;③使用温度400℃以上的耐高温保护涂料。

因弹性聚氨酯保护涂料研发较早,采用了芳香族聚氨酯作为主要成分,涂层耐老化性能较差,采用MOKO固化剂存在潜在致癌危险。近年来国内研究单位针对上述问题采用脂肪族聚氨酯替代芳香族聚氨酯,提高了涂层的耐老化性能。并旦自主合成了天门冬氨酸二氨作固化剂,消除了致癌的危险,涂层性能与原产品相当,部分技术指标有了飞跃性的提高。但是由于雷达及天线对保护涂层介电性能要求的进一步提高,降低涂层介电损耗成为该图层的发展方向。

因为树脂在250℃以上不可避免地出现碳化等现象,温度达到400℃时基本接近了树脂材料的耐温极限,对天线罩仅能够提供较短时间的防护,无法实现长时间的保护;含氟材辑在385℃以上出现热分解,有可能挥发出有毒气氛;聚酰亚胺类树脂对水分敏感,严重影响产品储存稳定性和涂层一致性。因此,虽然250?400℃的雷达罩保护涂料可选用的树脂体系较多,但是真正用于型号任务的产品品种并不多,还主要集中在有机硅树脂系列的涂料品种。

长期受400℃以上高温的雷达罩多采用纤维增强熔硅材料,这类材料的致密性较高。除了了抗水渗透性和柔韧性方面稍有不足外,其他性能不需要涂料进行补充,因此市场需求不迫切,迄今,能够耐受这一温度并满足气动要求的保护涂料在国内几乎是空白,虽然采用有机硅树脂体系能够耐受这种高温,但是耐气蚀能力有限。近年来国外有磷酸盐树脂体系的保护涂料出现,其耐温性能可达到1100摄氏度以上。

1.4.2透明件保护涂料  

      现代军事工业中,透明塑料在飞机座舱、舰艇舷窗、飞行员头盔等领域得到了广泛的应用,目前飞机座舱盖材料普遍使用聚甲基丙烯酸甲酯玻璃(主要采用航空定向有机玻瑝PMMA),从性能需求和发展趋势来看,.终将被性能更好的聚碳酸醋(PC)塑科完全替代。但该类材料均存在材料表面硬度不足、容易留下划痕等问题,因此需要对其进行保护,并满足透明件的良好透光率及雾度等要求。

国外于20世纪60年代就开始了有机玻璃表面保护涂层的研究,主要有丙烯酸涂料、聚氨酯树脂涂料、聚硅氧烷涂料等。近年来,又发展了纳米改性涂料、有机-无机杂化涂料等。经过近几年发展,国外公司已经推出了用于pc表面保护的成熟产品,并得到工业应用。

我国高规格光学级别有机玻璃(PMMA)工业起步较晚,针对保护涂料的研究不充分,型号飞机透明件表面防护涂层主要采用中昊北方涂料工业研究设计院有限公司研制的TU系列丙烯酸/聚氨酯防护涂料,TU系列飞机座舱透明件保护涂层均为聚氨酯/丙烯酸树脂体系,具有良好的附着力和韧性,但与国外产品相比该产品品种单一,可选性不强。 

国内在PC表面防护涂层的研制上,成熟的产品几乎空白。针对不同需求的透明件应该采用不同的保护涂料,而国内现有产品单一,还不能全面实现防雾、增硬等要求;在日本较为成熟的溶 胶-凝胶原位聚合法在国内还仅限于实验室研究阶段,因聚合温度的限制不能用于透明件防护。

1.4.3飞机油箱内壁保护涂料   

飞机整体油箱即为结构油箱,油箱的腐蚀即是承力结构件的腐蚀,也就是说,油箱的腐蚀直接威胁着飞机的完好性与可靠性。耐油涂料用于飞机整体油箱内壁以及周边区域的耐油防腐蚀保护,能在燃油中长期使用,避免燃油中复杂的腐蚀环境对油箱材料的腐蚀。

国外的油箱保护涂料早期主要采用环氧-橡胶、环氧类、氨基甲酸酯和聚氨基甲酸酯涂枓,代表性的产品有波音公司的BMS10-39环氧涂料。此外,阿克苏诺贝尔的整体油箱保护涂料,由 于性能优异,也占据着国内市场相当大的份额。

国外对于飞机整体油箱保护涂料的检测标准主要有AMS-C-27725B、MIL-C-27725B以及BMS10-20D等,这些标准均未提及涂层对防冰剂抗耐性的检测;但国外已建立了成熟、科学的加速测试试验方法,一些研究机构对耐油涂料受防冰剂影响状况进行了深入研究,采用不同的实验 条件,建立了多种加速试验方法,并确定了—些符合实际环境的加速试验方法与评判标准。

国内早期的油箱保护涂料基本为聚酰胺固化环氧类涂料,这种涂料能够基本满足现行国军标GJB 1390-1992 (未提及涂层对防冰剂撕性的检测)的要求,但与国外先进水平相比,国内产品性能仍有差距,尤其是在实际使用中涂层表现出对耐防冰剂的抗耐性不足,不能完全满足实际使用需求。中昊北方院是我国.早从事耐油类涂料项目研制的研究院所,也是国内少有的能进行飞机整体油箱耐油保护涂料研究及工业化生产,将产品成功进行应用的单位。

1.5特殊专用涂料

要应用于飞机仪表、蒙皮温度分布的测量,电气设备的发热监控。多变色不可逆示温涂料具有大面积场测温功能、记忆.高温度不破坏物体表面形状。不影响气流状态、使用方便,测量结果直观等,广泛应用于发动机燃烧室、涡轮外环导叶片、加力扩散器等部件的测温,单变色不可逆试温贴片现广泛应用于返回式卫星稳定裙及裙底结构内表面、飞船侧壁和大底等部位的温度测量,以及电器设备温升状态、机械构件温度监控等。

英国、俄罗斯、德国、法国、美国、日本及中国等世界各国都重视示温涂料的开发研制。德国(如Rols-Royceplc公司)的示温涂料性能水平.突出,成功应用于发动机热端部件的测温,其测温区域为240~1300℃,测温点有些品种多达10个,间隔为50~70℃。目前示温涂料朝着多测温点、宽温度区间、高温区及快速反应的方向发展。

中昊北方涂料院自20世纪60年代开始示温涂料的研究,是国内..专业从事示温涂料研究的院所,产品品种涵盖了从37℃到1150℃的温度测量范围,目前正在研发1150℃以上的示温涂料品种。

目前该类涂料的研究方向是通过对热敏颜料的研制,辅助填料的热性能研究、基料树脂的料品种。耐温性及与颜填料的配套性研究,克服高温多变色不可逆示温涂料的示温间隔大、误差大、变色不灵敏、色差不明显、应答时间长、高温上限低等缺点,满足型号研制中动态大面积场的温度测量要求;充实专用的试验和检测设备,进行涂料示温性能、力学性能、环境适应性能以及温度判别方法的研究。

1.52水性涂料

随着环保和低碳经济要求的日益提高,为了确保施工人员的身体健康、改善施工环境、满足环保的要求,航空、航天用涂料的水性化技术日益得到重视。

发达国家已经实现了飞机用底漆、色漆的水性化,如波音、空客等,以德国为例,早在20年前就已将水性料用于军用车辆、舰艇内表面的涂装,现在除了装备表面一层罩光涂料外,其余部分防腐蚀涂料基本实现了水性化。

我国水性化技术已经经历20余年的发展,水性环氧、水性聚氨酯涂料技木基本成熟,但是性能与溶剂型涂料比较还存在较大差异,难以满足高性能的使用要求,关键技术和关键原材料普遍掌握在国外企业的手里,因技术垄断等原因,国内企业很难获得高质.的水性化涂料。

1.53化学铣切保护涂料及工序保护涂料

化学铣切加工(简称化铣)是依靠化学溶液对金属工件表面溶解的一种加工技水,即利用化学溶解的方法加工工件。化铣保护涂料又称为可剥性涂料,是化铣过程中的一种临时性保护涂层,在加工过程中起到暂时的保护作用,化铣工序完成后再去除该保护层。

美国Turco和Purex公司是从事研究和生产化铣保护及其配套产品的公司,MaS31k537和AC-850化铣保护涂料就是其代表件产品。由于国内..代保护涂料氯丁胶存在“漏蚀”、溶剂毒性大、贮存稳定性差等缺点,目前已经被淘次;第二代保护涂料丁苯胶虽然降低了溶剂的毒性,但工艺复杂,且“漏蚀”问题依然存在,在航空企业中也逐渐淘汰。目前国内的航空企业所使用的化铣保护涂料主要为AC-850等进口产品,价格昂贵且供  货周期长。中昊北方涂料院研制的第三代保护涂料(SBS热塑性弹性体化铣保护涂料)性能已经达到了美国AC-850的技术水平,并在多个企业得到了应用。


1.6航天专用涂料  

航天专用涂料是一个极为特殊的门类,较之航空用涂料具有如下技术要求:①耐受紫外、电子、质子等综合辐照能力;②出气率要求;3高低温循环。

随着我国航天事业的不断发展,与卫星、导弹配套的特种涂料也相继研究成功,主要品种有耐高温涂料、消融防热涂料、热控涂料、高温电缆绝热涂料、高温绝热带、耐碱涂料等。其中耐高温涂料、消融防热凃料、热控凃层在航天中使用较为广泛。

航天器的外围设备、设施会采用大量涂料,如运载火箭用涂料通常会参照航空涂料的标准,因此,航空涂料也大量应用于航天器及外围设施的制造中。

1.6.1隔热耐烧蚀保护涂料

地球同步轨道运行的剥壳球星卫星,如果表面不加任何热控图层,当卫星对太阳定向时,表面温度.高达250℃,而背阳面的温度将会低到-200℃,卫星内设备温度的不均匀性及波动虽然小一些,但足以使各种仪器设备、结构部件无法承受。因此,需妄对卫星运行热控制,保证卫星各个部件的正常运行。

热控涂料是卫星热控技术的辅助手段,各国已经研制出的热控涂层材科按系款射性质可分为全反射表面、中等反射表面、太阳吸收表面、中等红外反射表面、灰体表、中等红分吸收表面、太阳反射表面、中等太阳反射表面及全吸收表面,针对不同作用原理各有优劣,但是能够同时采用以上作用原理两到三项,形成的技术优势将更为明显,如将太反射与相变技术结合,能够获得更好的效果。

2.应用情况

2.1国外应用情况

2.1.1国外民机应用情况

目前,国际上使用的大部分民用客机均由美国波音(Boeing)公司和法国空客(Airbus)公司制造,其飞机所用的“三防”涂料产品主要由国外几大着名涂料公司所垄断,如PPG、阿克苏诺贝尔、Deft、德索托等公司。其中,.具代表性的为阿克苏诺贝尔和PPG。这几家公司生产的飞机蒙皮涂料产品种类多样,性能稳定。国际上航空涂料有大量产品已经实现商品化,多年以来被各大飞机制造商、航空公司广泛选用。综合考察各大航空涂料生产商的相关产品,可以清晰发现其性能主要体现在涂层体系高性能化、涂层体系薄膜化和量化、涂料绿色环境友好化等方面。

在航空涂料高性能化方面,国际上知名航空涂料生产厂家在20世纪80年代就开展了研发及应用工作,主要分析并考察飞机在飞行过程中涂层系统的抗腐蚀性能、使用寿命等,用于飞机飞行环境的复杂多样性,提高飞机蒙皮涂层在极端条件下涂层的各项性能,如耐悬性、耐油品性、耐擦拭性、重涂性、耐冲击性等,90年代就推出了相关产品并获得应用,涂膜的耐高低温、耐冲击性能、柔初性能优异,与金属基材具有优异的附着力和抗振动性能,可以保证在剧烈的飞行过程中,蒙皮涂层与基材不会因应力变化而产生开裂为降低飞机的整体质量,增加航行距离,航空涂料体系薄膜化、轻量化交得越来越重要,在满足现役航空涂层体系防护性能不变的前提条件下,要求涂层厚度下降20%~30%。PPG公司新开发的底色漆清漆系统,与传统的涂层系统相比能大层度降低涂层的质量而不损失涂层的防护性能。在国际燃油价格日益上涨的今天,该技术的推广和成功应用将大大降低飞机的燃油使用费,为航空公司创造可观的经济效益。

涂料绿色环境友好化方面,欧美等发达国家因其政策法规限定,成功开发出多个高固含量、无铭化、水性化、无溶剂品种,大部分涂膜性能与传统溶剂型涂料水平相当。其中高固体分涂料发展速度.快,其中PPG和阿克苏诺贝尔的航空涂料产品均以高固体分涂科为主,施工状态下涂料的体积固体分高达70%,VOC排放量小于420g/L,满足欧盟及美国的环保法规要求。

在底漆无铬化方面,PPG公司成功开发了多个品种。在水性涂料方面,PPG和 阿克苏诺贝尔近年来也相继开发了 Eco Prime系列和Aerowava系列水性航空涂料,产品涵盖了飞机蒙皮底面漆及零部件防护凃料等,在波音和空客飞机上获得了成功应用。Bayer公司和Deft公司联合开发了采用UV固化方式的无溶剂的飞机蒙皮涂料,该涂料具有固化速度快、低VOC含量等特点,性能上与传统的聚氨酯飞机蒙皮涂料相当。这些绿色涂料已成功应用于多型号飞机,如波音737、747、757、767和空客380等,在满足实际飞行环境的使用要求的同时,立足于低碳化、环保化,符合政策法规的要求。

2.1.2国外军机应用情况

由于涉及军用特种涂料,国外对这部分涂料的具体牌号、性能等方面采取了严格的保密措施,我们无法判断军用涂料的实际应用情况。但是从一些文献资料中,还是能够侧面了解到一些。PPG和阿克苏诺贝尔公司均有相应的军用涂料产品,具体性能不详。Indestructible Paint INC公司是一家生产飞机专用涂料的厂家,其有很多品种用于不同型号的飞机上,但大多数涂料无法通过正常渠道购买。

2.2国内应用情况

2.2.1国内民机应用情况

由于民航飞机均有适航认证的要求,而目前国内的涂料生产厂家均不具备该资质。因此,在国内的民机方面,波音公司、空客公司使用的是PPG和阿克苏诺贝尔的航空涂料产品。西飞公司生产的新舟60已经取得了欧洲的适航认证,按照适航要求,该型号飞机上使用的也是PPG和阿克苏诺贝尔的航空涂料产品。虽然ARJ21和C919目前没有取得国际适航认证,但是考虑到后期的出口需求,涂层体系依然选用了以上两个公司的产品。目前,据了解,只有民用直升机上使用了中海油常州涂料化工研究院有限公司的蒙皮涂料产品。

纵观国内所有成熟飞机蒙皮涂料产品,其飞机蒙皮涂料种类与国外产品种类相当,但在性能上与国外产品还是差距明显,主要表现在涂层使用寿命、防护年限、涂料有机挥发物含量、施工性能、环保等方面。目前,  

国内尚无符合波音《航空用保护磁漆》标准规范的“绿色”涂料产品,主要问题在于这些产品的施工固含量、施工性能达不到规范要求或者耐介质性能通过的情况下不能同时满足物理机械性能等要求。在涂料轻量化和薄膜化研究方面仍然处于技术空白。

出现上述问题的主要原因是,目前国内没有适合制备高性能飞机蒙皮涂料的专用树脂,防腐蚀颜料品种选择也比较单一。在涂层系统的抗疫劳、高耐腐蚀、高耐候、涂层表面特性(耐摩擦、低阻力、防污、防覆冰等)、极端温度下涂层的适用性、涂料环境友好等方面的研究一直是薄弱环节,而目前国内涂料生产企业在这些研究方面的分析测试能力不足,传统的分析测试手段检测周期长、可靠性低,不能为涂料及特种树脂的研发提供可靠的依据,这已成为限制高性能飞机航空涂料发展的瓶颈。因此,制备符合要求的高性能特种专用树脂及新型防腐蚀颜料体系是我国航空涂料发展的主要方向之一。

2.2.2国内军机应用情况

新中国成立后,我国航空、航天工业的建立和发展基本完全引进苏联模式,当时国内除了飞机蒙皮涂料可以自给外,其他特殊性能航空、航天涂料基本全部从苏联进口。到20世纪60年代中后期,由于国际局势发生变化,我国航空、航天工业完全依赖苏联的局面才得以改善,在短短几年内就完成了完全自主化的转变,并取得世人瞩目的成就。1958~1965年,我国经济经历了不平凡的发展过程,涂料工业也和全国的经济形势一样,经历了“马鞍型”的发展过程。

经过多年的发展,我国涂料的研究、生产和应用日趋成熟和完善,再加上改革开放以来,涂料行业以国有企业为主展开了技术引进和合资,国外大公司的先进技术转让和资金的进入,大大缩短了国内技术与国外技术的差距。目前,中国已成为世界..大涂料生产和消费大国。

40年风风雨雨,伴随着改革开放,涂料工业取得了非凡成绩。虽已成为涂料大国,但还不是涂料强国,当前国家一系列的宏观政策,为涂料行业的产业升级、行业整合、结构调整、战略转型提供了更多的空间。

中国航空业发展起步较晚,与西方发达国家存在着一定的差距。近年来随着我国改革开放,国民经济飞速发展,工业技术水平得到大幅度提升,中国的航空武器装备也进入了一个全新的发展阶段,伴随着我国国防事业的稳步推进,配套材料也获得了更大的发展空间。

3.国内外航空涂料标准发展概况

3.1国外航空涂料标准梳理

飞机蒙皮涂料作为用量.大的航空涂料品种之一,承担着对飞机整体的防腐蚀保护作用。作为高要求的涂料产品,其性能指标将严重影响到飞机的飞行安全。国外航空公司、飞机设计单位和飞机制造商通过多年以来的探索和实际数据积累,不断完善其涂料标准和规范。国外飞机蒙皮航空涂料主要技术标准规范如表1所示。目前,国外主要涂料制造商一般参照波音公司的BMS技术规范与美国军用MIL标准,制定自己的产品标准,研发并生产了不同牌号、不同类型的飞机蒙皮涂料,代表性的有荷兰的阿克苏诺贝尔、美国的PPG等。


以上标准规定飞机蒙皮涂料的各项性能,无论是从涂料制造商所供应涂料的外观及状态,还是.终涂膜的物理机械性能与“三防”性能(三防性能指涂膜的耐盐雾性、耐湿热性、耐霉菌性),该标准体系均做出了明确的规定与使用要求。经过不断的修正与完善,以上标准基本上已涵盖了不同种类、不同使用环境下的飞机蒙皮所使用涂料的技术规范,形成了多元化、国际化的标准。参考这些航空凃料标准规范可以发现,无论是美军标还是各大飞机公司标准,首先明确了飞机蒙皮涂料必须是绿色环境友好的,这与欧美等国家的政策法规是相一致的。其次,标准内容主要包括涂料性能和涂膜性能两大方面。

3.1.1与航空涂料相关的美军标

美国空军是.早发展的空军体系,目前在世界上仍占据主导地位,因此,对于提高性能有密切关系的保护材料一一航空涂料的应用非常重视,已形成了比较完善的航空涂料标准体系。随着对涂料性能要求和环保耍求的提高,相关航空凃料的美军标也在不断地修订中,如飞机蒙皮脂肪族聚氨酯面漆标准MILC-83286由标准MIL-C-85285替代,2012年1月修订的MIL-C85285E标准中包括四型两类涂料:Type I,飞机上应用,VOCs420g/L;TypeⅡ,支持设备上应用,VOC≤340g/L: Type Ill,飞机和支持设备上应用,VOC<50g/L:TypeⅣ,飞机上应月,优异的耐候性,VOC<420g/L: Class F,高固体分配方:Class W,水性配方。其配套底漆为MIL-PRF-2337高固体分环氧底漆或MIL-PRF-85582水性环氧底添。2012年6月修订的MILPRF-2337KX和2012年10月修订的 MIL-PRF-85582E都包括以下两型三类涂料:Type I,标准颜料:TypeⅡ,低红外反射颜料:Class C1,含铬酸钡防腐蚀剂:ClassC2,含铬酸锶防腐蚀剂Class N,无铬防腐蚀剂。底漆具有优异的防腐蚀性、附着力、耐介质性、耐热性、与面漆的配套性等;面漆具有良好的力学性能、耐候性、与底漆的配套性等,并且底漆和面漆都有向无毒、环境友好、水性化方向发展的趋势。表2为部分相关航空涂料的美军标准。

3.1.2与航空凃料相关的波音标准

波音公司是全球航空、航天.大的制造企业,也是世界上.大的民用和军用飞机制造商,具有比较完善的航空材科标准规范体系,对飞机涂装划分细致,标准完善,如飞机蒙皮腐蚀防护涂料BMSI0-72,要求涂料具有优良的物理机械性能、耐热及耐温变性、耐介质性、户外耐久性等;飞机内艴涂料要求具有阻燃性、防霉性等,BMS10-83标准要求:耐烟、触摸和污物的沾污性,对溶剂的敏感性,涂膜燃烧性,自熄灭时间要求小于15s,燃烧长度小于15.24cm(6英寸)、水滴熄灭时间小于3s。防滑耐磨涂料标在BMS10-86、防火凃科标准BMS10-21、整体油箱涂科标准BMS10-11。详细的航空涂与波音标如表3所示。



3.1.3阿克苏诺贝尔及PPG公司相关航空涂料产品及其应用标准

阿克苏诺贝尔和PPG两大涂料供应商也建立了能符合用户规范的产品标准体系。阿克苏诺贝尔公司的航空、航天防护的涂料产品应用已超过了75年,提供了满足各飞机生产制造公司应用的相关涂料标准,如表4所示。


Aerodur 5000系列产品为双组分聚氨酯面漆,用于伪装、防护军用飞机,涂装简便、防护效果优异,满足飞机蒙皮相关涂料标准。飞机内部结构件和密封件,由于其特殊性,在飞机长达30年的寿命中,只涂装一次;结构水性涂科 Crowave系列产品,具有优异的耐化学性和防腐性能,其涂层能为结构件提供30年以上的防护,包括底漆、面漆、空隙填充和腻子,满足各国飞机结构件应用涂料标准。

PPG公司为全球飞机制造商、航空公司提供航空涂科,包括军用和民用飞机,如空客A300系列、波音7XX系列、美国F16等,其涂料产品应用在玻璃纤维、复合材料、金属材料等表面,具有优异的耐腐蚀、耐化学品性和耐雨蚀性能,涂科品种在1000种以上。表5为PPG公司部分航空涂料及其应用。

3.2国内航空涂料标准梳理

我国自20世纪50年代开始发展自己的航空涂料,经过几十年的发展,技术日趋成熟,但我国的航空涂料标准大部分采用国外航空涂料标准或转化而来,缺少完善的国内航空涂料标准体系。随着我国航空事业的发展壮大,建立国内系统的航空涂料标准势在必行。我国目前的航空涂料标准分布在:航空标准(HB)、国家军用标准(GJB)、化工标准(HG)、涂料生产商的企业标准、飞机设计单位编制的企业标准等。如西安飞机制造公司结合波音材料规范及其他企业标准制定了西飞材料规范XMS,其飞机蒙皮面漆标准为XMS-1622,飞机蒙皮底漆标为XMS-1623;上海飞机制造公司结合麦道材料规范及其他企业标准制定了支线客机材抖规范ZMS.飞机蒙皮面漆标准为ZMS-2112,飞机蒙皮底漆标准为ZMS-2104,飞机耐涂科标程为ZMS-2143,整体油箱标准为ZMS-1850,内舱防腐涂科标准为ZMS-1870,用于起落架的抗冲击底深标为ZMS-2144等,这些标准的提出,完善了我国航空涂料标准体系。

GJB385A《飞机蒙皮用脂肪族聚氨酯磁漆及配套底规范》是目前我国仅有的一分飞机蒙皮涂料技术标准,该标准规定了我国..代和第二代飞机蒙皮涂抖应达到的技术指标,但由于现代飞机飞行环境的多样性、复杂性与飞机的更新换代,该标准规定的飞机蒙皮涂层已无法满足实际的使用要求。2007年,国务院批准“大飞机”立项,并提出国产化目标,飞机设计研究单位也提出了“大飞机”飞机外部蒙皮涂层系统的技术规范。与此同时,国内主要飞机生产制造公司也使用了.新的飞机蒙皮保护磁漆标准以及配套耐腐蚀底漆标准,并在“大飞机”的生产制造过程中,对飞机蒙皮面漆及底漆提出了全新的使用要求。目前国内飞机蒙皮涂料主要生产厂家,例如中吴北方涂料院、天津灯塔、常州涂料研究院、海洋化工研究院等,均参照.新的规范要求研发新一代飞机蒙皮涂料,并形成了相关的产品技术标准。

比较国内外技术标准可以发现,国外的技术标准体系相对完善,国内在参照美军标后制定的新的飞机蒙皮涂层标准在部分技术指标上已接近或达到了美军标的水平,但仍在某些具体指标要求上与美军标有差距。我们对美军标MIL-C-83286B、MIL-PRF-2337K、MILレPRF-32239以及波音BMS-60、BMS-72技术规范,同国内标准进行了认真比对后发现,国内的技术标准在飞机蒙皮涂料的加速贮存稳定性、适用期、涂料混合后的黏度、涂膜的耐液体腐蚀性、绝缘电阻等测指标上均有所降低。由此可以看出,国内的技术标准与国外相比,还是存在一定的差异。

此外,美军标对飞机蒙皮的面漆、底漆进行了洋细的分类,例如底漆分为含铬酸钡防锈颜料的涂料、含铬酸锶防锈颜料的涂料、无铬化的防腐涂料,面漆则分为标准弹性面漆与高弹性面漆,针对不同类型的涂科有着不同的技术要求。而国内则较为单一化,仅是笼统地提出飞机蒙皮底漆与面漆需要满足的技术指标,美军标同样提出了不同类型的涂料品种,例加高固体分环氧底漆、水性环氧底漆、高固体分聚氨酯面漆等,而国内则仅为单一的聚氨酯面漆与环氧底漆、另一万面,由于西方与欧洲的各项环保法限制,对于涂料的毒性与挥发性有机溶剂含量进行了明确规定,而国内并没有相关具体规定。

4.航空、航天涂料技术热点分析

对于目前国内航空涂料的发展现状,真正需要解决的技术热点有以下两方面:一是高性能树脂的开发及产业化;二是新型功能性颜料的研究及生产。

树脂作为涂膜的主要成膜物质,无论是涂膜的力学性能还是防护性能,树脂均起到了决定性作用。目前国内大部分航空涂科生产商都是选用已经商品化的树脂,因此生产出的涂科产品性能相当,同时又都存在某些涂膜性能无法改进的弊病。树脂的结构是影响树脂性能的关键因素,商品化的树脂能够满足一般工业需求,但在特种用途方面,就显得差强人意。在调研了很多国外知名树脂厂家的技术资科后,发现有很多适用于航空涂科产品的基料树脂,在申请样品和采购的过程中被告之,由于这些树脂都是被用在特殊行业上,且这些树脂对中国是禁售的。由此可以看出,国外严格把控了特种涂料的原材料供应,使国内航空涂料发展长年以来严重受到制约。因此,特种树脂的研制开发是重中之重。

涂料的很多功能性是由添加的颜填料所提供的,例如导电性、防腐性、反射性能、透波性能、吸波性能等。因此,填料本身所具备的特性决定了.终涂膜的功能性。例如,填料自身导电性能或吸波性能足够优异,那么在同等添加量的情况下,涂膜表现出的导电性或吸波性能就会更加的优异。再比如,颜填料本身的介电常数和介电损耗就很低,那么用这类颜填料制备的涂膜相应的透波性能就会较好。如何开发出性能更加优异的功能化涂料对未来特种涂料的发展有重要的意义。

5.航空涂料未来发展预测

5.1气动性能优化

在燃油价格铰高时期,飞机设计的重点在于提高燃油效率,然而,2018年燃油价格偏低,所以当前热点的涂层技术主要是绕着提升飞机的气动性能。例如,阿克苏诺贝尔正在与一些高校和OEM合作开发一些能够提升飞机性能的涂层技术,减少飞行阻力,从而减少1%~2%的燃油消耗。

5.2底漆清漆系统

底漆-清漆系统不仅有利于改善光泽度、色泽稳定性,而且可以使涂层的使用寿命更长、质量更轻以及晾干时间缩短,如阿克苏诺贝尔的 Aerodur/Aerobase产品就属于这类产品,其寿命是传统航空涂料的2倍:再如PPG公司的Aerocronj产品比单层涂料轻30%,也就是说整架飞机使用这种涂层后质量可减轻453.59kg(1000lb-相当于一架钢琴的质量)。底漆-清漆统的优势恰好与航空公司希望通过光鲜的飞机机体色彩等提升品牌价值的想法以及OEM希望通过持续缩短涂层晾干时间而提升生产速率的目的相契合,因此底漆-清漆系统的特性必将成为涂层行业的技术标准。

5.3无铭化趋势

由于制造商和其他企业越来越重视环保,强烈要求减少铭含量。铬,尤其六价铭长期以来都被用于防腐蚀,但是其致癌性对喷涂工人和环境产生很大威胁。PPG认为,无铭涂层产品正在加速研发,但其抗腐蚀性还要进一步评估附着力、柔韧性和保护性是涂层的关健属性,阿克苏诺贝尔正在大力投资无铬涂层。据悉,其提供的无铬涂层的关键性能指标将比含铬产品更好。该公司认为,产品开发的关键是确定可以准确试产品性能的方法,这也是无铬涂层产品开发及应用进程延缓的关健所在。

5.4涂层速干

技术飞机在经历退漆后,其机翼、发动机以及复合材料区域在喷砂前需进行遮盖。然后进行电动研磨洗,再采用底喷凃覆盖,随后使用基础颜色,.后是喷涂条纹和标识、维修和紧急通告、注册号和门带等。喷涂的周转时间和价格是喷涂企业考虑的关键因素。在喷涂工程竞标中,一个合同项目存在5~7个竞标者的现象屡见不鲜。由于喷涂周转时间受喷漆固化时间影响较大,所以涂层制造商在加速喷漆固化方面也进行了相当多的研究。例如,底漆、清漆系统中结合了速干面漆。此项技术使飞机OEM和维修企业都非常受益。此外,维修企业还利用加热机库加速涂层固化速度。

“十三五”是我国各项事业从高速向高质发展的时期,随着我国航空、航天技术多年来的发展和技术积累,奠定了我国在这一时期会陆续推出新的型号,在技术先进性、覆性技术方面展现出前所未有的活カ,同时,与之配套的涂料技术尤其是特种涂料技术得到迅发展,并取得了较大进步。

6.结语

航空、航天涂料的技术发展与航天、航空工业的发展密切相关,飞行器、航天器技术迅猛发展,同样需要并促进涂科技术的发展。

航空、航天涂料在过去被赋予厚的军事色彩,多年来一直处于技术保密和封锁的状态,特别是发达国家对我国实行军事用摸术的封锁政策。值得庆幸的是,我们的前辈们依靠自身的聪明才智,自力更生,目前我国的航天、航空科完全实现了自给自足,且技术水平达到国际先进水平。

中国将在今后10年中成为世界第2大商业飞机市场,仅次于美国,航空、航天材料制备产业市场前景巨大。航空、航天领域涂层材料技术的需求量也在不断地提升,对涂层技术水平、服务能力提出了更高的要求,在这改革开放40周年的历史时刻,涂料产业面临难得的历史发展机遇,市场前景广;“循环经济,可持续发展”是贯彻落实科学发展观的必然要求,发展符合这一战略方针的涂层材料产业是一个非常好的发展时机,同时,国外的涂层材料企业已陆续进入国内市场,为国内企业带来巨大挑战和竞争压力。

因此,国内企业只有抓住这一时机,探索新的科研、开发和成果转化的模式,提高技术的原始创新和工程化的水平,整合各方面资源,提升合能力,才能促进表面技术产业的迅速发展,在取得显着经济效益的同时,成为该行业的引领者。(中国腐蚀与防护网)

 

 

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