復合材料在航空航天領(lǐng)域的應用現狀與展望

現在飛機和衛星的制造資料應具有質(zhì)量輕、強度高、耐低溫、耐腐蝕等特性，先進(jìn)復合材料的獨有功能使它成為制造衛星和飛機的理想材料。

材料是社會(huì )開(kāi)展的物質(zhì)根底和先導，而新型材料則是表現社會(huì )提高的重要里程碑。新材料技術(shù)是支撐當前人類(lèi)文明的現代工業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，新材料技術(shù)不斷是各國科技開(kāi)展規劃中一個(gè)非常重要的范疇，它與動(dòng)力技術(shù)、生物技術(shù)、信息技術(shù)一同被公以為當今社會(huì )及今后相當長(cháng)工夫內總攬人類(lèi)全局的高科技技術(shù)。復合化是新型材料的重要開(kāi)展方向，也是新型材料的重要組成局部和最具生命力的分支之一。復合材料已開(kāi)展成為與金屬材料、高分子材料、無(wú)機非金屬材料并列的四大材料體系之一。今后，一個(gè)國家的復合材料工業(yè)程度曾經(jīng)成為權衡其科技與經(jīng)濟實(shí)力的主要標志之一。先進(jìn)復合材料是國家平安和國民經(jīng)濟具有競爭優(yōu)勢的源泉。預測到2020年，只有復合材料才具有潛力取得20-25%的功能提升。

    復合資料是由無(wú)機高分子、無(wú)機非金屬或金屬等幾類(lèi)不同資料經(jīng)過(guò)復合工藝組合而成的新型資料，它既能保存原有組分資料的次要特征，又經(jīng)過(guò)資料設計使各組分的功能相互補充并彼此關(guān)聯(lián)與協(xié)同，從而取得原組分資料無(wú)法比較的優(yōu)越功能，與普通資料的復雜混合體有實(shí)質(zhì)的區別。所謂先進(jìn)復合資料是指用碳纖維等高功能加強相加強的復合資料，關(guān)于先進(jìn)樹(shù)脂基復合資料，在綜合功能上與鋁合金相當，但比剛度比強度高于鋁合金。

1 使用現狀

1.1 飛機機身上的使用

1.1.1 飛機機身構造上的使用

先進(jìn)復合材料用于加工主承力構造和次承力構造，其剛度和強度功能相當于或超越鋁合金的復合材料。目前被少量地使用在飛機機身構造制造上和小型無(wú)人機全體構造制造上。

以典型的第四代戰役機F/A-22為例復合材料占24.2%，其中熱固性復合材料占23.8%，熱塑性復合材料占0.4%左右。熱固性復合材料的70%左右為雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂(BMI，簡(jiǎn)稱(chēng)雙馬)基復合材料，消費200多種復雜零件，其它主要為環(huán)氧樹(shù)脂基復合材料，此外還有氰酸酯和熱塑性樹(shù)脂基復合材料等。主要使用部位為機翼、中機身蒙皮和隔框、尾翼等。近10年來(lái)，國際飛機上也較多的運用了復合材料。例如北京航空制造工程研討所研制并消費的QY8911/HT3雙馬來(lái)酰亞胺單向碳纖維預浸料及其復合材料已用于飛機前機身段、垂直尾翼安寧面、機翼外翼、阻力板、整流壁板等構件。由北京航空資料研討院研制的PEEK/AS4C熱塑性樹(shù)脂單向碳纖維預浸料及其復合材料，具有優(yōu)異的抗斷裂韌性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲勞功能，合適制造飛機主承力構件，可在120℃下臨時(shí)任務(wù)，已用于飛機起落架艙護板前蒙皮。

1.1.2 飛機隱身上的使用

近幾十年來(lái)，隱身復合資料的研討獲得了長(cháng)足停頓，正朝著(zhù)“薄、輕、寬(頻譜)、強(耐沖擊、耐低溫)”方向開(kāi)展。美國最先將隱身體料用在飛機上，用隱身體料最多的是F-117和F-22飛機。F-117的隱身涂層非常復雜，有7種材料之多。

2000年，美空軍對F-117的隱身體料停止更新，將原來(lái)的7種隱身體料涂層改換為1種，全部F-117將具有通用的維修順序和雷達波吸收材料，技術(shù)規程的數量增加大約50%。改良后F-117的每飛行小時(shí)維修工夫延長(cháng)一半以上，全部52架F-117的年維護費用從1450萬(wàn)美元降至690萬(wàn)美元。F-22 不采用全機涂覆吸波涂層的辦法，但在機身內外的金屬件上全部采用了鐵氧體吸波涂層，它是一種有韌性的耐磨涂料，較之F-117的涂料易于噴涂且耐磨。專(zhuān)家預測到本世紀30代，導電高分子電致變色材料、封孔劑摻雜氧化物半導體材料、納米復合材料和智能隱身等復合材料將實(shí)踐用于飛機，它將使飛機的航電零碎及控制方式發(fā)作基本性的變化。

1.2 航空發(fā)動(dòng)機上的使用

1.2.1 渦輪動(dòng)起機上的使用

由于具有密度小、比強度高和耐低溫等固有特性，復合材料在航空渦輪發(fā)動(dòng)機上使用的范圍越來(lái)越廣且比例越來(lái)越大，使航空渦輪發(fā)動(dòng)機向“非金屬發(fā)動(dòng)機”或“全復合材料發(fā)動(dòng)機”方向開(kāi)展。

(1)樹(shù)脂基復合材料

憑仗比強度高，比模量高，耐疲勞與耐腐蝕性好，阻噪才能強的優(yōu)點(diǎn)，樹(shù)脂基復合材料在航空發(fā)動(dòng)機冷端部件(風(fēng)扇機匣、壓氣機葉片、進(jìn)氣機匣等)和發(fā)動(dòng)機短艙、反推力安裝等部件上失掉普遍使用。

(2)碳化硅纖維加強的鈦基復合材料 憑仗密度小(有的僅為鎳基合金的1/2)，比剛度和比強度高，耐溫性好等優(yōu)點(diǎn)，碳化硅纖維加強的鈦基復合材料在壓氣機葉片、全體葉環(huán)、盤(pán)、軸、機匣、傳動(dòng)桿等部件上曾經(jīng)失掉了普遍使用。

(3)陶瓷基復合材料

目前次要的陶瓷基復合材料產(chǎn)品是以SiC或C纖維加強的SiC和SiN基復合材料。憑仗密度較小(僅為低溫合金的1/3～1/4)，力學(xué)功能較高，耐磨性及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，陶瓷基復合材料，尤其是纖維加強陶瓷基復合材料，曾經(jīng)開(kāi)端使用于發(fā)起機低溫運動(dòng)部件(如噴嘴、火焰波動(dòng)器)，并正在嘗試使用于熄滅室火焰筒、渦輪轉子葉片、渦輪導流葉片等部件上。

1.2.2 火箭發(fā)動(dòng)機上的使用

由于火箭發(fā)動(dòng)機噴管壁遭到高速氣流的沖刷，任務(wù)條件非常惡劣，因而C/C最早用作其噴管喉襯，并由二維、三向開(kāi)展到四向及更多向編織。同時(shí)火箭發(fā)動(dòng)機設計者多年來(lái)不斷希圖將具有高抗熱震的Ct/SiC用于發(fā)動(dòng)機噴管的分散段，但Ct的體積分數高，易氧化而限制了其普遍使用，隨著(zhù)CVD、CVI技術(shù)的開(kāi)展，新的抗氧化Ct/SiC及C-C/SiC必將找到其用武之地。

目前為處理固體火箭發(fā)動(dòng)機構造承載成績(jì)，美國和法國正在研發(fā)陶瓷纖維混合碳纖維而編織的多向(6向)基質(zhì)、以熱波動(dòng)氧化物為基體填充的陶瓷復合材料。SiC陶瓷制成的喉襯、內襯已停止屢次點(diǎn)火實(shí)驗。明天作為火箭錐體候選材料的有A12O3、ZrO2、ThO2等陶瓷，而作為火箭尾噴管和熄滅室則采用低溫構造材料有SiC、石墨、低溫陶瓷涂層等。

1.3 衛星和宇航器上的使用

衛星構造的輕型化對衛星功用及運載火箭的要求至關(guān)重要，所以對衛星構造的質(zhì)量要求很?chē)?。國際通訊衛星VA中心推力筒用碳纖維復合材料取代鋁后減質(zhì)量23kg(約占30%)，可使無(wú)效載荷艙添加450條電話(huà)線(xiàn)路，僅此一項盈利就接近衛星的發(fā)射費用。美、歐衛星構造質(zhì)量不到總質(zhì)量的10%，其緣由就是普遍運用了復合材料。目前衛星的微波通訊零碎、動(dòng)力零碎(太陽(yáng)能電池基板、框架)各種支撐構造件等已根本上做到復合材料化。我國在“風(fēng)云二號氣候衛星”及“神舟”系列飛船上均采用了碳/環(huán)氧復合材料做主承力構件，大大加重了整星的質(zhì)量，降低了發(fā)射本錢(qián)。

2 將來(lái)瞻望

2.1 原材料技術(shù)

復合材料開(kāi)展的根底和前提是原材料技術(shù)，主要包括基體和加強體，而其中加強纖維技術(shù)尤爲重要。高模量和高強度的纖維既能爲基體分擔大局部外加應力，又可障礙裂紋的擴展，并且當部分纖維發(fā)作斷裂時(shí)以“拔出功”的方式耗費局部能量，起到進(jìn)步斷裂能并克制脆性的效。目前關(guān)于碳纖維的研討主要是進(jìn)步模量和強度，降低消費本錢(qián)。運用的纖維先驅體依然主要是PAN（聚丙烯腈）和瀝青纖維，二者所用物質(zhì)的量比約爲6:1。普通來(lái)說(shuō)PAN基碳纖維具有高強度，而瀝青基碳纖維具有高模量。但經(jīng)過(guò)控制微觀(guān)構造缺陷、結晶取向、雜質(zhì)和改善工藝條件，應用PAN或瀝青纖維均可取得高強高模纖維?，F實(shí)上到目前爲止，要波動(dòng)消費模量大于700GPa和強度大于5.5GPa的高模高強碳纖維依然是十分困難的。碳纖維的緊縮強度較低，離子注入技術(shù)可改善碳纖維的緊縮強度，但這種工藝本錢(qián)很高。

2.2 低本錢(qián)技術(shù)

目前，復合材料的需求量疾速增長(cháng)，而高本錢(qián)曾經(jīng)成爲制約復合材料普遍使用的瓶頸。進(jìn)步復合材料的性?xún)r(jià)比，除了在原材料、拆卸與維護等方面停止研討改良外，更重要的是降低復合材料的制形成本。

低本錢(qián)制備技術(shù)也是低本錢(qián)技術(shù)開(kāi)展的一個(gè)方向。自動(dòng)鋪帶技術(shù)和自動(dòng)纖維絲束鋪放技術(shù)具有高效、低本錢(qián)的特點(diǎn)，特別合適于大尺寸和復雜構件的制造，增加了拼裝零件的數目，浪費了制造和拆卸本錢(qián)，充沛應用了材料，極大地降低了材料的廢品率和制造工時(shí)。

改良的纖維纏繞和多維編織技術(shù)、樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）和樹(shù)脂膜熔浸（RFI）工藝及其衍生工藝、新型非熱壓罐固化工藝以及工藝模仿和智能化技術(shù)等也是新興的復合材料低本錢(qián)制造技術(shù)。目前研討最多最有開(kāi)展前景的是電子束固化工藝，該工藝的優(yōu)點(diǎn)是固化溫度低、耗能低、模具材質(zhì)要求不高；固化進(jìn)程工夫短、效率高、環(huán)境凈化小，并可與RTM、拉擠、纏繞等自動(dòng)化工藝相結合。

2.3 新型復合材料 2.3.1 超輕材料與構造

格柵加強構造的概念是20世紀70年代由美國麥道公司首先提出，其根本設想是：整個(gè)構造由鋁合金增強肋與蒙皮組成，增強肋呈正多邊形網(wǎng)格散布，整個(gè)構造表現出各向異性。這種構造方式剛剛呈現，就以較高的可設計性、優(yōu)越的潛在功能備受關(guān)注。

2.3.2 納米復合材料

納米復合材料是由2種或2種以上的固相至多在一維以納米級大?。?-100nm）復合而成的復合材料。納米復合材料包括納米顆粒加強復合材料、封孔劑納米片層加強復合材料、納米纖維加強復合材料和碳納米管加強復合材料等。納米復合材料曾經(jīng)成爲先進(jìn)復合材料技術(shù)的一個(gè)新增長(cháng)點(diǎn)，也是先進(jìn)復合材料技術(shù)研討最活潑的前沿范疇之一。納米復合材料的超凡特性使其在航空航天等范疇具有普遍的使用前景。

2.3.3 多功用復合材料

隨著(zhù)新一代航空航天器向高明聲速方向的開(kāi)展，苛刻的超低溫退役環(huán)境對材料及構造的承載與防熱提出了嚴峻考驗，碳/碳(C/C)復合材料是順應這種需求的重要候選材料。C/C復合材料從碳纖維加強相構造可分爲碳氈C/C和多向編織C/C復合材料。作爲一種新型戰略材料，C/C復合材料的國防公用性和激烈的軍事背景使其研制和運用具有高度的秘密性。碳基防熱復合材料次要用于燒蝕防熱和熱構造，較好地處理了輕質(zhì)化、抗熱震、耐腐蝕等技術(shù)難題。除了傳統的C/C復合材料以外，近年來(lái)，美、俄、法等國度又開(kāi)發(fā)了許多混雜其它材料的新型C/C材料以滿(mǎn)足不同的特殊運用要求。例如：在C/C材料中混入Si3N4、SiC、TiC、TaO、TaC等粉末，以進(jìn)步C/C材料抗粒子腐蝕功能。更新的彈頭鼻錐防熱材料是針刺細編織物在穿刺或編織進(jìn)程中參加改良功能的組分，如耐熔金屬絲、耐腐蝕粒子等，這樣可大大改良抗粒子腐蝕功能，到達全天候的目的。此外，四向或更多向碳基復合材料也是研制開(kāi)展的方向，由于采用了交織網(wǎng)絡(luò )構造和添加了加強方向數，不只添加了各向異性、進(jìn)步了抗腐蝕才能，也改良了耐燒蝕性。

上海越科新材料股份有限公司成立于2006年，是結構復合材料技術(shù)提供商和產(chǎn)品制造商，專(zhuān)注于高性能要求和大型的結構性復合材料件的整體解決方案提供，模具設計制造，整體流水線(xiàn)總包，原材料供應。主要經(jīng)營(yíng)：環(huán)氧體系脫模劑，聚酯體系脫模劑、封孔劑等。