復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用探究

劉偉 田治坤 楚天舒 劉波

摘 要：復(fù)合材料由于具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、性能可設(shè)計(jì)及穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)等特點(diǎn)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。本文首先對復(fù)合材料進(jìn)行概述，然后著重介紹了復(fù)合材料的特性及研究進(jìn)展，以及其在軍機(jī)、民機(jī)和航天領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：航空航天；復(fù)合材料；應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著國內(nèi)外航空、航天產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對航空、航天用材料的使用性能要求也越來越高，單一的材料已經(jīng)很難完全滿足其對材料綜合性能的要求，材料復(fù)合化成為新材料的重要發(fā)展方向，目前已經(jīng)發(fā)展成為繼金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料后的第四大材料體系[ 1 ]。

復(fù)合材料是一種最具生命力的材料分支，它是新型材料的重要組成部分，隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，復(fù)合材料的用量已經(jīng)成為飛機(jī)先進(jìn)性評判的依據(jù)之一。在我國剛發(fā)布的《十三五國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中也多次提到了復(fù)合材料，它仍然是我國材料界的重點(diǎn)攻克方向。

1 復(fù)合材料概述

復(fù)合材料是指在基體中通過添加纖維、織物、晶須等高性能增強(qiáng)材料，經(jīng)過特殊的材料復(fù)合工藝后，形成具有高比強(qiáng)度、高比模量、比重小及性能可設(shè)計(jì)等特點(diǎn)的新型材料。通?？梢杂脴渲⒔饘倥c陶瓷等材料為基體，從宏觀或者微觀等不同的結(jié)構(gòu)層次，將基體與增強(qiáng)體在空間復(fù)合形成復(fù)雜的新材料組合。由于復(fù)合材料是基體跟增強(qiáng)體通過特殊的材料復(fù)合工藝而成，其性能是其他普通材料所不能比擬的；同時(shí)由于其性能可設(shè)計(jì)，我們可以給它賦予防熱、吸波等特殊功能，拓寬了它的使用范圍。目前復(fù)合材料已經(jīng)成為衛(wèi)星、火箭、飛機(jī)、飛船等航空航天領(lǐng)域中的主流材料。

2 復(fù)合材料的特點(diǎn)及研究進(jìn)展

復(fù)合材料根據(jù)基體的不同，可分為樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料。

2.1 樹脂基復(fù)合材料

樹脂基復(fù)合材料是指在樹脂基體中通過添加高性能的連續(xù)纖維增強(qiáng)材料，經(jīng)過特殊的材料復(fù)合工藝制備而成。經(jīng)常使用的纖維增強(qiáng)材料主要有碳纖維和其他高性能有機(jī)纖維，尤其碳纖維應(yīng)用最為廣泛，環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料是其典型的代表。為了使樹脂基復(fù)合材料的使用性能進(jìn)一步提高，目前，科研人員在環(huán)氧（EP）的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了雙馬來亞胺（BMI）基和耐高溫聚酰亞胺（PI）基等復(fù)合材料。

2.2 金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料是指在鋁、鎂、鈦等輕質(zhì)金屬中通過添加纖維、顆粒及晶須形式的高強(qiáng)第二相經(jīng)復(fù)合而成。目前發(fā)展較為成熟的要數(shù)鋁、鎂、鈦基。增強(qiáng)體中以SiC的使用量占首位，遠(yuǎn)高于其它復(fù)合材料，排名第二的則是Al2O3。金屬基復(fù)合材料作為先進(jìn)航空航天承力部件的候選材料，主要用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)組件、推進(jìn)系統(tǒng)組件和輔助系統(tǒng)組件及太空飛船中間機(jī)身的主框架、翼肋、前起落架等。

2.3 陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料主要是指以陶瓷為基體，通過添加各類纖維增強(qiáng)材料復(fù)合制備而成。它具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等一系列優(yōu)異性能。目前連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料是一個(gè)主要的發(fā)展方向，由于它具有高強(qiáng)度、高韌性等特點(diǎn)，尤其是它具有與普通陶瓷不同的非失效性斷裂方式，這在世界各國引起了極大的關(guān)注。

航天航空、國防等領(lǐng)域已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料已經(jīng)成為未來航天航空科技發(fā)展的關(guān)鍵支撐材料之一。

2.4 碳基復(fù)合材料

碳基復(fù)合材料是一種以碳纖維（織物）或碳化硅等陶瓷纖維（織物）為增強(qiáng)體，以碳為基體的復(fù)合材料的總稱。它兼有碳的惰性和碳纖維的高強(qiáng)度，具有熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率較低、抗熱沖擊性能好、耐燒蝕性好和耐含固體微粒燃?xì)獾臎_刷等一系列的優(yōu)異性能，而且其質(zhì)輕，比強(qiáng)度和比彈性模量都很高，更重要的是這種材料在惰性環(huán)境下隨著溫度的升高（可達(dá)2200℃）其強(qiáng)度不降低，甚至比室溫條件下還高，這些都是其他材料無法比擬的。目前，它在國內(nèi)外已被公認(rèn)為是高級(jí)載人飛行器鼻錐和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等關(guān)鍵部位最理想的耐燒蝕、防熱材料。它在工程應(yīng)用也日趨成熟，已用于美國民兵Ⅲ洲際導(dǎo)彈彈頭，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，衛(wèi)星，飛船等尖端科技領(lǐng)域。

3 復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 復(fù)合材料在軍機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

為了滿足新一代軍機(jī)對材料高性能的要求，尤其在超音速巡航及隱身等方面，各國加大了復(fù)合材料的研究力度，希望占領(lǐng)先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域的制高點(diǎn)，獲得軍事應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先機(jī)。目前，復(fù)合材料所使用的比例越來越大。

2013年服役的A400M新一代大型軍用運(yùn)輸機(jī)中先進(jìn)復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的35%～40%[ 2 ]，美國第4代殲擊機(jī)F-22，其樹脂基復(fù)合材料用量達(dá)25%，中國自主研發(fā)的殲-20戰(zhàn)機(jī)碳纖維復(fù)合材料用量高達(dá)30%，法德合作研制的虎式武裝直升機(jī)，復(fù)合材料在其機(jī)身結(jié)構(gòu)材料中的用量達(dá)到45%；美國RAH-66輕型偵察攻擊直升機(jī)，復(fù)合材料在其機(jī)身結(jié)構(gòu)材料中高達(dá)51%左右。先進(jìn)復(fù)合材料的使用，不僅滿足了軍機(jī)對材料的各種特殊要求，而且降低了制造成本，還改進(jìn)軍機(jī)的綜合作戰(zhàn)性能。

3.2 復(fù)合材料在民機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

民用飛機(jī)與軍用飛機(jī)在使用性能上存有本質(zhì)不同，民用飛機(jī)主要的職能是載客，因而更重視飛機(jī)的安全和舒適性[ 3 ]。而復(fù)合材料作為一種新型結(jié)構(gòu)材料，在對材料特性認(rèn)識(shí)、保證工藝穩(wěn)定的措施和有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不十分充分的情況下，其發(fā)展經(jīng)歷了較謹(jǐn)慎而又漫長的歷程。

目前民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)也正在一步一步地走向材料復(fù)合化，成為制造飛機(jī)的首選材料，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中已高達(dá)50%以上[ 4 ]。復(fù)合材料在客機(jī)上的具體應(yīng)用情況見表1。

3.3 先進(jìn)復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

以高性能碳（石墨）纖維復(fù)合材料為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能或結(jié)構(gòu)/功能一體化構(gòu)件材料，在導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭和衛(wèi)星飛行器上也發(fā)揮著不可替代的作用。其應(yīng)用水平和規(guī)模已關(guān)系到武器裝備的跨越式提升和型號(hào)研制的成敗。碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展推動(dòng)了航天整體技術(shù)的發(fā)展。

碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭、彈體箭體和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)部件和衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)承力件上，如我國神州系列飛船、風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星，俄羅斯“白楊M”導(dǎo)彈、美國“MX”導(dǎo)彈的發(fā)射筒[ 5 ]，美國三叉戟-2導(dǎo)彈、日本M-5火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體均采用了復(fù)合材料[ 6 ]。

4 結(jié)語

21世紀(jì)航空航天將進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期，高水平的航空航天活動(dòng)將更加頻繁，而復(fù)合材料是未來發(fā)展我國航空航天工程最有前途的材料。面對如此機(jī)遇，我國材料科研人員應(yīng)借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行自主研發(fā)和創(chuàng)新，重點(diǎn)突破先進(jìn)復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)，為我國航空航天領(lǐng)域的全面、高速發(fā)展提供必要的物質(zhì)保證。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

劉偉（1989-），男，湖南衡陽人，碩士，助教，主要從事航空材料和復(fù)合材料的研究。