先進復合材料在航空航天領域的應用

周苑生

摘 要：先進復合材料由于具有多功能性、結構整體性、可設計性等眾多優(yōu)良特點，在各個領域被廣泛推廣和使用，而復合材料應用量最大，技術含量最高的是航空航天領域。本文簡要描述了先進復合材料的組成及發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了先進復合材料在航空航天領域的國內(nèi)外應用，同時以此為依據(jù)，提出對于我國在低成本復合材料制造方面的展望與想法。

關鍵詞：復合材料；航空航；樹脂基體；纖維

中圖分類號：V257 文獻標志碼：A

從最初采用泥土和麥秸堆砌房子到現(xiàn)代的鋼筋水泥，人們很早就認識到，可以將兩種或多種不同性能的材料進行組合，制備得到性能更加優(yōu)異的材料。如古埃及修建的金字塔，就是采用石灰、火山灰等作為黏合劑，混合砂石作為砌料進行搭建的，這是最早最原始的顆粒增強復合材料。復合材料 （Composite）由兩種或兩種以上獨立物理相通過復合工藝組合而成的新型材料，在宏觀和微觀上具有不同的結構尺度和層次的多相固體材料。而先進復合材料（Advanced Composites Material，簡稱ACM）特指由高性能纖維及高性能樹脂復合而成的高性能復合材料或具有某種特殊功能（如吸透波、電、熱、防彈等）的復合材料。由于先進復合材料具有比強度比模量高等顯著特點，并且具有良好的抗疲勞性能、優(yōu)良的減震性能以及優(yōu)越的耐腐蝕性能，因此，近年來逐漸廣泛應用于航空航天領域。

1 先進復合材料的組成及發(fā)展現(xiàn)狀

當前，應用于航空航天應用的先進復合材料中，多以碳纖維作為增強體，熱固性樹脂作為基體，而環(huán)氧樹脂又是熱固性樹脂體系中的應用最為廣泛的。從20世紀40年代開始，戰(zhàn)斗機、轟炸機上就采用了玻璃纖維增強塑料作雷達罩。到了20世紀50年代，先進復合材料，主要是碳纖維增強樹脂基復合材料，開始大量應用于航空航天領域，廣闊的應用前景促進了復合材料行業(yè)的發(fā)展。

1.1 樹脂

樹脂基體是復合材料的重要組成部分，樹脂基體使纖維形成一個整體，因此樹脂起著傳遞載荷和均衡載荷的作用。復合材料的工藝性能、力學性能的壓縮程度和斷裂韌性及其他方面的物理或化學性能都取決于樹脂基體。目前，應用較為廣泛的主要有環(huán)氧樹脂和雙馬來酰亞胺樹脂（簡稱雙馬樹脂）。

1.1.1 環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂是指含有兩個或多個環(huán)氧基團的有機物，該類有機化合物是重要的熱固性樹脂。環(huán)氧樹脂具有質(zhì)量輕、強度高、模量高、耐腐蝕性能好、加工簡便、生產(chǎn)效率高和材料可設計性強等特點，同時還具有一些特殊的性能，如能夠減振、消音、透波、隱身等特性，是國民經(jīng)濟和國防科技發(fā)展建設中不可替代的重要材料。但是它也有一定的缺點，從經(jīng)濟角度看，它的價格比較高，另一方面脆性較大，常需加入增塑劑。

1.1.2 雙馬樹脂

雙馬來酰亞胺樹脂（簡稱BMI）的研究要稍晚一些，但其發(fā)展和應用的速度很快。雙馬來酰亞胺樹脂是由聚酰亞胺樹脂體系衍生而成的樹脂體系，它是由兩分子的馬來酸酐與一分子的二元胺反應生成雙馬來酰胺酸，再經(jīng)過脫水環(huán)化生成。BMI的耐濕性和耐熱性均優(yōu)于環(huán)氧樹脂，但是固化物呈現(xiàn)較大脆性。通過和多種化合物共聚合采用新型增韌劑增韌改型，目前已經(jīng)獲得了沖擊后壓縮強度（CAI）值達 296 MPa，最高使用溫度達 177 ℃ 的BMI復合材料。

1.2 纖維

纖維是復合材料中的增強體，具有承擔載荷的作用，是復合材料的重要組成部分。目前應用較為廣泛的是碳纖維和玻璃纖維。

1.2.1 玻璃纖維

玻璃纖維（glass fiber，簡稱GF）是一種非金屬材料，性能優(yōu)異，種類繁多，具有良好的耐絕緣性和抗腐蝕性，同時具有耐熱性強和機械強度高等特點，但脆性和耐磨性較差。除了四氫呋喃（THF）以外對于一般物質(zhì)則有著較好的耐腐蝕性。對于玻璃纖維復合材料而言，玻璃纖維織物的編織方式極為重要，平紋布只用于簡單的零件，緞紋布則適用于成型復雜的組件。

1.2.2 碳纖維

由于玻璃纖維模量低，不能滿足宇航工業(yè)中的受力結構需求，因此在20世紀60年代，開始發(fā)展性能更加優(yōu)異的碳纖維復合材料。碳纖維（Carbon Fibre，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上，具有高強度高模量的高性能纖維材料。碳纖維是由片狀石墨微晶等有機纖維材料，沿著纖維的軸向方向堆砌而成，經(jīng)過碳化和石墨化處理后，得到的微晶石磨材料。碳纖維具有良好的耐高低溫性能，在空氣隔絕的條件下，2000 ℃ 依然有一定強度；在液氮氛圍下也不會脆斷。

2 在航空航天領域的應用現(xiàn)狀

2.1 國外應用現(xiàn)狀

復合材料中，最早開發(fā)并應用的是GF樹脂基復合材料。20世紀40年代，美國首先在軍用雷達罩、飛機油箱上應用了玻璃纖維與不飽和聚酯樹脂的復合材料。但是到了60年代，由于玻璃纖維產(chǎn)品的質(zhì)量較大、模量比較低，逐漸被碳纖維及其他材料所取代。

在飛行器中使用復合材料的主要目的是減重，通過減重來提升飛行器的性能和經(jīng)濟效應。先進復合材料的使用大大增加了軍用運輸機的有效載重，減重比率可達 20%～30%。飛行器的減重，增加了軍用飛機的承載能力，加大了軍用飛機的載油量，克服了傳統(tǒng)材料在高超聲速飛行器的瓶頸問題。自20世紀80年代后，軍用飛機開始大幅采用先進復合材料，其用量在機身質(zhì)量的20%以上，如法國的Rafale于1980年試飛，復合材料占質(zhì)量比的40%，到了1989年，聞名世界的美國B-2轟炸機的先進復合材料結構用量攀升到了35%。

然而，隨著科技的發(fā)展，單純的減重已經(jīng)無法滿足軍機的需求，這就要求先進復合材料由單一功能走向多功能一體化。隱形轟炸機B-2大量使用雷達吸波材料，使雷達波反射量等同于一只鳥，超強的隱身能力能讓它在完成攻擊任務后不會遭到敵方追擊。

在無人機方面，復合材料的優(yōu)勢同樣明顯，美國空軍的RQ-4“全球鷹”無人機是目前最先進的無人機之一。在該無人機中，除了機身的主結構是鋁合金材料以外，其余結構均由復合材料制作而成，其中機翼、尾翼、后機身和發(fā)動機短艙材料采用碳纖維復合材料，而雷達罩和整流罩則選用玻璃纖維復合材料，復合材料的總用量占總重量的65%左右。endprint

2.2 國內(nèi)應用現(xiàn)狀

衛(wèi)星的結構輕量化，對衛(wèi)星功能和運載火箭的要求非常重要，因此，衛(wèi)星結構的質(zhì)量要求非常嚴格。國際通信衛(wèi)星VA中心的推力筒，將鋁替換為碳纖維復合材料后，質(zhì)量減少23kg（約為總質(zhì)量的30%），使得有效載荷艙的電話線路增加了450條。目前，衛(wèi)星系統(tǒng)中的微波通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等均采用了先進復合材料作為支撐結構件，大大減輕了衛(wèi)星結構質(zhì)量。我國的“風云二號氣象衛(wèi)星”和“神舟”系列飛船的主承力結構件都是采用碳纖維/環(huán)氧復合材料，這樣大大減輕了衛(wèi)星結構質(zhì)量，降低發(fā)射成本。

我國的先進復合材料固體火箭發(fā)動機殼體制造技術的研究起步較晚，與國外存在一定的差距，但經(jīng)過近40年的發(fā)展，從無到有，取得了很大進步。玻璃纖維/環(huán)氧復合材料和芳綸纖維/環(huán)氧復合材料火箭發(fā)動機殼體已經(jīng)成功應用于航天運載方面，如今正在進行的是高性能碳纖維復合材料發(fā)動機殼體的研制。以發(fā)動機為例，一般來說，材料耐高溫性能越好，用它做出來的發(fā)動機水平就越高。根據(jù)理論計算和試驗，當發(fā)動機工作溫度每提高100 ℃，發(fā)動機可以增加約 15% 的推力。對先進復合材料而言，其耐高溫性能主要取決于所采用的樹脂基體。我國國防科技大學航天學院的新型陶瓷纖維及其復合材料重點實驗室，研制出的具有超強吸附能力的超輕納米材料。該材料具有很強的耐高溫性，在2000℃的高溫下，依然能夠正常使用，還可通過燃燒的方式重復使用，在航空航天高溫熱防護領域、有毒化學物質(zhì)吸附和清除領域應用潛力巨大。

3 總結與展望

限制復合材料的廣泛推廣，無外乎兩個因素，一是材料本身性能的限制，二是工藝成本太高。因此，未來復合材料的發(fā)展也勢必會從這兩方面入手，提高復合材料的抗沖擊韌性，降低復合材料的制造成本。

3.1 提高抗沖擊韌性

復合材料抗沖擊性能的提高主要與樹脂的交聯(lián)密度有關，可以通過改變樹脂和固化劑的結構，來增加柔性鏈段的數(shù)量，利用高韌性、耐高溫的熱塑性樹脂進行增韌，以此提高復合材料的抗沖擊性能。

3.2 低成本的先進復合材料制造技術

隨著先進復合材料應用民用化，較低成本的復合材料制造技術必定得到發(fā)展。依靠計算機技術的飛躍發(fā)展，來設計復合材料，選出最優(yōu)方案。同時利用計算機的模擬功能，分析復合材料在一些特殊環(huán)境下的適應能力，得到可靠的數(shù)據(jù)，從而降低設計成本。

先進復合材料對于經(jīng)濟競爭和國家安全極為重要，它的發(fā)展和應用標志著一個國家擁有的經(jīng)濟優(yōu)勢、軍事實力和科學水平。近年來，先進復合材料在我國的發(fā)展仍然十分迅速，應用范圍不斷擴大。但依據(jù)國外的樹脂基復合材料的發(fā)展趨勢和經(jīng)驗，我國的復合材料發(fā)展無論是研究水平還是應用方面都有一定的差距。

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