淺談復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

李喜志，柳 輝

（東方藍(lán)天鈦金科技有限公司，山東煙臺(tái) 264003）

0 引言

航空材料泛指被用于制造航空飛行器的材料，以飛機(jī)舉例，一架軍用飛機(jī)的核心包括機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載電子及火力控制四個(gè)部分，一架民用客機(jī)的核心則包括機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載電子和機(jī)艙四個(gè)部分。航空材料具有較高的質(zhì)量要求，輕質(zhì)高強(qiáng)度、高溫耐蝕和低成本等優(yōu)勢材料才能真正在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮出應(yīng)有作用，未來航空材料將朝著高性能、高功能、復(fù)合化、智能化、低成本以及高環(huán)境相容性的方向發(fā)展。出于對航空飛行器運(yùn)作過程中的安全問題考慮，關(guān)于航空結(jié)構(gòu)材料選擇的特點(diǎn)優(yōu)先考慮輕質(zhì)、可靠及高強(qiáng)度，所以選用復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中尤為重要[1]。

1 航空航天復(fù)合材料的組成

復(fù)合材料的出現(xiàn)是在傳統(tǒng)航空航天結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)上，運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)研發(fā)，通過多次試驗(yàn)而研制出來的較為高級(jí)的材料，是符合當(dāng)前時(shí)代航空航天發(fā)展現(xiàn)狀的材料。隨著航空航天技術(shù)的變革而不斷開發(fā)和改進(jìn)，復(fù)合材料始終對航空結(jié)構(gòu)保持充足的原材料供給。目前對各國關(guān)于結(jié)構(gòu)材料上的優(yōu)劣判斷，往往依照航空航天結(jié)構(gòu)所用材料來判定，復(fù)合材料的運(yùn)用決定著一個(gè)國家航空結(jié)構(gòu)技術(shù)的最高水平[2]。

2 復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的優(yōu)勢

伴隨航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航空結(jié)構(gòu)原材料的來源開始了新的選擇，經(jīng)過多種材料的運(yùn)用比較，復(fù)合材料逐漸走進(jìn)航空航天的研究領(lǐng)域，逐漸被全面運(yùn)用。復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的運(yùn)用，有效減輕了飛機(jī)本身的重量，減少了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使目前的航空航天技術(shù)更便捷地從理論變現(xiàn)到實(shí)踐中。復(fù)合材料以更加優(yōu)越的綜合性能逐漸取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料在航空航天領(lǐng)域中的地位，成為目前航空結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣泛的材料，并且復(fù)合材料巨大的用量使其開始成為影響航空航天事業(yè)的一個(gè)重要因素。復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)上的用量目前接近20%左右，隨著時(shí)代的發(fā)展和航空航天技術(shù)的不斷更新，航空結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料的需求量持續(xù)擴(kuò)大。在航天器的研發(fā)領(lǐng)域，復(fù)合材料逐漸被廣泛運(yùn)用于航天器的制造、巡航導(dǎo)彈的部件制造等方面[3]。

3 復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料

樹脂基復(fù)合材料是當(dāng)前航空航天使用的主要復(fù)合材料之一，其在研發(fā)過程中在原有樹脂材料的基礎(chǔ)上加入芳綸纖維、碳纖維等纖維成分作為高級(jí)材料的增強(qiáng)劑，從而混合研制成的復(fù)合材料。相比傳統(tǒng)的鋼、鋁等結(jié)構(gòu)材料，樹脂基復(fù)合材料具有重量更輕、強(qiáng)度更大等方面的材料優(yōu)勢，正逐漸成為航空航天領(lǐng)域中復(fù)合材料的主流。樹脂基復(fù)合材料不僅可以用于航空結(jié)構(gòu)部件的制作，還能夠在功能性部件的制作過程中起到重要作用，對提升其性能有極佳效果。

由于航空領(lǐng)域結(jié)構(gòu)制作的特殊性，對樹脂基復(fù)合材料的要求仍然相對較高，不僅需要具有極強(qiáng)的耐熱性能，自身還需要具備極強(qiáng)的抗毀傷能力和應(yīng)對不同天氣狀況的能力。就目前的形式，樹脂基復(fù)合材料也分為多種類型，如當(dāng)前運(yùn)用最多的樹脂基復(fù)合材料就是碳纖維樹脂基復(fù)合材料，相對于其他的復(fù)合材料更容易進(jìn)行研制，且具有更加穩(wěn)定的性能，因此成為了樹脂基復(fù)合材料中最常使用的一種材料[4]。

例如在航空工業(yè)制造過程中，樹脂基復(fù)合材料主要被運(yùn)用于制造飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道等，還可以用來制作發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的燒蝕防熱材料和雷達(dá)天線罩等。如在A380 機(jī)型中，飛機(jī)的尾椎、平尾、非承壓機(jī)身、起落架艙門、中央翼盒、機(jī)翼等多種結(jié)構(gòu)所用的復(fù)合材料都是來源于樹脂基復(fù)合材料，足以證明其在航空結(jié)構(gòu)中的重要性。

3.2 金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料也是航空航天領(lǐng)域運(yùn)用較為廣泛的一種復(fù)合材料，其以某一金屬最為基體，從中加入各種金屬元素，形成具有更穩(wěn)定性能的金屬基復(fù)合材料。早期金屬基復(fù)合材料的研發(fā)過程中，大多試驗(yàn)是以Al、Mg 等輕金屬為基體的復(fù)合材料，隨著研究范圍的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的提升，更多的科學(xué)研究人員開始將金屬基復(fù)合材料的研究領(lǐng)域拓展到了碳化硅等復(fù)合材料的研究中。金屬基復(fù)合材料材料相比于其他的基體材料，具有低消耗、高收益以及優(yōu)良的后續(xù)開發(fā)性和改造型的優(yōu)勢，相比于人為強(qiáng)化的合金材料，具有更加強(qiáng)勁的性能，成為許多應(yīng)用領(lǐng)域中的熱門之選。由于金屬基復(fù)合材料在我國的研發(fā)起步較晚，目前在航空航天領(lǐng)域并沒有大面積投入使用。

在未來的航空航天發(fā)展領(lǐng)域中，無人機(jī)的研發(fā)和材料選擇是一個(gè)至關(guān)重要的發(fā)展方向。無人機(jī)的主流趨勢是保證飛行機(jī)器飛行高度更高、時(shí)間更長、隱身效果更好，而要想提高無人機(jī)的效能、減少投入成本，復(fù)合材料的使用是一大關(guān)鍵要素。金屬基材料在運(yùn)用過程中展現(xiàn)出較多的性能特性，對于一般的金屬材料具有更高的抗壓性、抗高溫性以及導(dǎo)電性，可以作為飛機(jī)上眾多的零部件構(gòu)成材料。如將金屬基復(fù)合材料運(yùn)用在無人機(jī)的機(jī)翼位置，相對于傳統(tǒng)的鋁合金結(jié)構(gòu)，整體重量能夠減輕60%左右。利用復(fù)合材料，研究人員還能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)金屬材料所難以企及的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，使無人機(jī)的研究向前跨一大步[5]。

3.3 陶瓷基復(fù)合材料和碳復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料也是當(dāng)前研究人員重點(diǎn)研究的航空航天材料，陶瓷基復(fù)合材料和碳復(fù)合材料的研究對于航空航天事業(yè)的發(fā)展有重要意義。在航空航天技術(shù)發(fā)展過程中，飛機(jī)上的各個(gè)設(shè)備都面臨高溫、高壓的影響，如果這些設(shè)備材料不能夠滿足設(shè)備要求，可能會(huì)影響整個(gè)飛機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，而陶瓷復(fù)合基材料因?yàn)榫哂锌垢邷氐男阅鼙粦?yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件領(lǐng)域。陶瓷基復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度高、耐熱性強(qiáng)、比重小，能夠承受較高的熱浪沖擊。實(shí)際運(yùn)用中，為了增強(qiáng)陶瓷復(fù)合基的韌性，保證復(fù)合基的使用質(zhì)量，會(huì)在陶瓷復(fù)合基形成過程中加入一定量的纖維素，使陶瓷復(fù)合基具有一定的柔韌度，增強(qiáng)陶瓷復(fù)合基的使用性能。碳復(fù)合材料的耐熱性也比較好，兩者作為耐熱性的復(fù)合材料被研制成功，彌補(bǔ)了航空航天領(lǐng)域關(guān)于耐熱結(jié)構(gòu)材料所欠缺的空白，成為未來軍事工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料之一。

陶瓷復(fù)合材料和碳復(fù)合材料主要被用于制作飛機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴閥，因?yàn)槠淠透邷氐奶匦裕歉邷匕l(fā)動(dòng)機(jī)部件的不二之選。如在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)過程中，將陶瓷基復(fù)合材料運(yùn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流動(dòng)通道中，可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻過程甚至直接消除，從而大大降低渦輪扇發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率也能夠提升到新的層次。相應(yīng)地，發(fā)動(dòng)機(jī)性能、耐磨損能力、持久能力以及燃油經(jīng)濟(jì)性也能夠得到很大改善[6-8]。

4 總結(jié)

基于航空航天領(lǐng)域?qū)τ诤娇战Y(jié)構(gòu)材料的選擇，未來可能會(huì)開發(fā)出更加節(jié)能、有效的新型高級(jí)材料，使復(fù)合材料朝著多功能、高強(qiáng)度、易回收以及高兼容性的方向發(fā)展。未來航空航天領(lǐng)域?qū)⒃谠牧?、制備加工、監(jiān)測評(píng)價(jià)以及維修等環(huán)節(jié)更加合理。雖然目前航空航天材料的研究依舊存在眾多不足，研究人員需要繼續(xù)加強(qiáng)對航空航天材料的研究，對其進(jìn)行改造和改性，使其更加具有競爭性和合理性，以此推動(dòng)我國材料科學(xué)技術(shù)和航空航天領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。