先进复合材料在航空航天的应用综述(1)

第 31 卷 第 2 期 2006 年 4 月

高科技纤维与应用

Hi-Tech Fiber & Application

Vol.31 No.2 Apr. 2006

先进复合材料在航空航天的应用综述

何东晓

（哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036）

摘 要: 讨论了先进复合材料在航天飞机、航空发动机、机用雷达天线罩、航天隔热材料、航天卫星和宇航器、固体火箭发动机壳体、战略导弹等方面的应用情况。结合航空航天应用阐明了先进复合材料未来的发展趋势，重点是提高耐热性，抗冲击韧性和发展低成本制造技术。

关键词: 先进复合材料；航空；航天；应用；发展趋势

中图分类号: V258

文献标识码: A 文章编号: 1007-9815（2006）02-0009-03

Review of the Application of Advanced Composite

in Aviation and Aerospace

HE Dong-xiao

(Harbin FRP Institute, Harbin 150036 China)

Abstract: In this paper, the application of advanced composite in space shuttle, aviation engine, radar antenna mask, aviation hot insulation material, space satellite solid rocket engine and strategic missile are discussed. The development trends of advanced composite in aviation and aerospace are introduced, the key point is improving the thermal stability, impact resistance and developing low-cost manufacturing technique.

Key words: advanced composite; aviation; aerospace; application; development trends

前 言

近年来，随着科学技术的不断进步，材料技

到航空航天等军事领域中，是制造飞机、火箭、 航天飞行器等军事武器的理想材料。

术得到飞速发展，其中尤以先进复合材料的发展 1 国内外应用概况

最为突出。 先进复合材料（Advanced Composites ACM） 1.1 在航空飞机上的应用

飞机用 ACM 经过近 40 a 的发展，已经从最 专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚

度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。 初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构 目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤 件，可获得减轻质量 20 %～30 % 的显著效果。目 前已进入成熟应用期，对提高飞机战术技术水平维、芳纶等增强的复合材料。ACM 在航空航天 的 贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑，其等军事上的应用价值特别大。比如，军用飞机和 设 卫星，要又轻又结实；军用舰船，要又耐高压又 计、制造和使用经验已日趋丰富。 耐腐蚀。这些苛刻的要求，只有借助新材料技术

迄今为止，战斗机使用的 ACM 占所用材料 总量的 30 % 左右，新一代战斗机将达到

才能解决。ACM 具有质量轻，较高的比强度、 40 %；

直升机和小型飞机 ACM 用量将达到 70 %～

比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、

隔音、减振、耐高（低）温，独特的耐烧蚀性、 80 % 左右，甚至出现全 ACM 飞机。“科曼奇” 透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、 直升机的机身有 70 % 是由 ACM 制成的，但仍计 制备的灵活性和易加工性等特点，被大量地应用 划通过减轻机身前下部质量，以及将 ACM 扩大

收稿日期: 2006-03-26；修回日期: 2006-04-05

作者简介: 何东晓（1964-），女，黑龙江牡丹江人，高级工程师，主要从事复合材料的应用研究，(电话)0451-

55637339(电子信箱)hbyjhchdx@sina.com。

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第 31 卷

到配件和轴承中，以使再减轻 15 % 质量。“阿帕奇”为了减轻质量，将采用 ACM 代替金属机身。使用 ACM ，未来的联合运输旋转翼（JTR）飞机的成本将减少 6 %，航程增加 55 %，或者载荷增加 36 %。以典型的第四代战斗机 F/A -22 为例，ACM 用量为 24.2 %，其中热固性复合材料占 23.8 %，热塑性复合材料占 0.4 % 左右。热固性复合材料的 70 % 左右为双马来酰亚胺树脂（BMI，简称双马）基复合材料，生产 200 多种复杂零件，其它主要为环氧树脂基复合材料，此外还有氰酸酯和热塑性树脂基复合材料等。主要应用部位为机翼、中机身蒙皮和隔框、尾翼等。世界各国先进战斗机 ACM 用量见表 1。

俄罗斯 法国

S-37 RAFALE

21 24

近 10 a 来，国内飞机上也较多的使用了

ACM。例如由国内 3 家科研单位合作开发研制的某歼击机 ACM 垂尾壁板，比原铝合金结构轻21 kg，减质量 30 %。北京航空制造工程研究所研制并生产的 QY8911/HT3 双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其 ACM 已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。由北京航空材料研究院研制的 PEEK/AS4C 热塑性树脂单向碳纤维预浸料及其 ACM，具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲劳性能，适合制造飞机主承力构件，可在 120 ℃ 下长期工作，已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。

1.2 在航空发动机上的应用

美国通用电器飞机发动机事业集团公司（GE -AEBG）和惠普公司，以及其他一些二次承包公司，都在用 ACM 取代金属制造飞机发动机零部件，包括发动机舱系统的许多部位推力反向器、

表 1 世界各国先进战斗机 ACM 用量

%

国家名称

飞机代号

ACM 用量

美国 美国

德国、英国、西班牙和意大利

瑞典 俄罗斯

F/A-22 F-35 EF2000 JAS39 M-1.44 24 36 30～40 30 30

风扇罩、风扇出风道导流片等都用 ACM 制造。如发动机进口气罩的外壳是由美国聚合物公司的碳纤维环氧树脂预混料（E707A）叠铺而成，它具有耐 177 ℃高温的热氧化稳定性，壳表面光滑似镜面，有利于形成层流。又如 FW4000 型发动机有 80 个149℃ 的高温空气喷口导流片，也是碳纤维环氧预浸料制造的。

航天技术对结构材料不仅提出减质量要求，还要求结构材料具有高比模量和高比强度，最好

在 316 ℃ 这一极限温度下的环境中，ACM

不仅性能优于金属，而且经济效益高。据波音公司估算，喷气客机质量每减轻 1 kg，飞机在整个使用期限内即可节省 2 200 美元。 1.3 在机用雷达天线罩上的应用

机用雷达罩是一种罩在雷达天线外的壳形结构，其使用性能要求透微波性能良好，能承受空气动力载荷作用且保持规定的气动外形，便于拆装维护，能在严酷的飞行条件下正常工作，可抵抗恶劣环境引起的侵蚀。ACM 具有优良的透雷达波性能、足够的力学性能和简便的成型工艺，使它成为理想的雷达罩材料。目前制作雷达罩材料较多采用的是环氧树脂和 E 玻璃纤维。玻璃纤维品种中还有空心的 S-2 纤维，其密度为 1.8 g/cm，制成的复合材料抗拉强度为 1.5 GPa。还有一种低介电 D -玻璃纤维，是一种硅硼纤维（72 %～75 % 的SiO2，23 % 的 B2O3），主要用于制造雷达罩，目的是改善电性能和减少电气厚度以降低实心罩的质量。随着对雷达罩性能要求的不断提高，D 玻璃纤维、石英玻璃纤维等增强材料及改性双马来亚胺树脂、DAIP 树脂、氰酸脂等具有更好介质性能的 ACM 也投入了使用。

石英纤维作为制作雷达罩材料在航天飞机、隐

3

身飞机及导弹上已应用了数 10 a，其电性能优异，热膨胀系数为 0，硬度高，用它代替以往的玻璃纤维，可以获得高性能的雷达罩。这种雷达罩的探测范围可以增大到 224 km，寿命更长，维修性能更好，同时可获得较明显的减质量效果。与相同的 E-玻璃雷达罩相比，它可减质量 6 %～

20 %。

2 在航天工业方面的应用

第 2 期 何东晓：先进复合材料在航空航天的应用综述 11

还兼具有一些特殊的功能，如防热、隔热、耐高温及耐湿热等特性，ACM 具有上述优点及性能和功能的可设计性，被大量地应用于航天工业上。

2.1 在防热方面的应用

国外在 1950 年代末就开始采用纤维缠绕成型的玻璃钢壳体取代钢壳，如美国的潜地导弹“北极星 A-3”的一、二级结构质量，分别比“ A-1”

导弹、卫星及其它航天器再入大气层的防热，是航天技术必须解决的关键问题之一。由于经过高空飞行以超高速进入稠密的大气层时，飞行器周围空气受到强烈压缩，使空气温度和压力急剧升高，再入体受到严重的气动力和气动热作用，如不采取有效防热措施，将像流星一样被烧毁。早在 1950 年代，美国就采用石棉酚醛作为烧蚀防热材料，如“丘比特”中程导弹，苏联的“东方号”飞船也用该种材料。此后广泛地使用玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛，如美国的“ MK-11A” 弹头和“水星号”飞船，苏联的“联盟号”飞船，法国第一代导弹的弹头等。近期采用了碳基 ACM （碳/ 酚醛和碳/ 碳），如美国的“MK-12A”弹头和法国的第二代导弹弹头已应用。另外国内外均将高强度玻纤增强树脂基复合材料用于多管远程火箭弹和空空导弹的结构材料和耐烧蚀-隔热材料，使金属喷管达到了塑料化，耐烧蚀-隔热-结构多功能化，实现了喷管收敛段、扩张段和尾翼架多部件一体化，大大减轻了武器质量，提高了战术性能。

2.2 在卫星和宇航器上的应用

卫星结构的轻型化对卫星功能及运载火箭的要求至关重要，所以对卫星结构的质量要求很严。国际通讯卫星 VA 中心推力筒用碳纤维 ACM 取代铝后减质量 23 kg（约占 30 %），可使有效载荷舱增加 450 条电话线路，仅此一项盈利就接近卫星的发射费用。美、欧卫星结构质量不到总质量的 10 %，其原因就是广泛使用了 ACM。目前卫星的微波通讯系统、能源系统（太阳能电池基板、框架）各种支撑结构件等已基本上做到

ACM 化。

我国在“风云二号气象卫星”及“神舟”系列飞船上均采用了碳/环氧 ACM 做主承力构件，大大减轻了整星的质量，降低了发射成本。

2.3 固体火箭发动机壳体

的钢质发动机壳体减轻了 50 %～60 %。后来“三叉戟 1”、MX 的三级发动机壳体全部采用芳纶/环氧 ACM，质量又比玻璃钢的同尺寸壳体减轻 50 %。目前碳 ACM 发动机壳体以其优异的特性得到了较好的应用与发展，如其先后成功地用于飞马座，德尔塔Ⅱ-7925 运载火箭，三叉戟Ⅱ（D5）、侏儒导弹等型号。

我国 ACM 固体火箭发动机壳体研究制造技术起步较晚，与国外存在一定差距，但经过近40 a 的发展，从无到有取得了很大进步。玻璃纤维/环氧、芳纶/环氧 ACM 固体火箭发动机壳体已经成功地应用到航天运载上，现正在进行高性能

对航天航空用高性能 ACM，过去重视性能，较少考虑成本。随着冷战结束，各国国防开

支减少，迫使制造商和使用者考虑降低成本，

（下转 19 页）

的碳 ACM 发动机壳体研制。

美国已采用 JFRP 作弹头结构壳体，仪器舱、级间段等 50 多个分系统部件。据洛克希德导弹与宇航公司称，用碳纤维/环氧 ACM 制造的结构取代铝结构，可使结构减轻 40 %。另外 ACM 导弹发射筒在战略和战术型号上被国外广泛采用，如美国的战略导弹 MX 导弹，俄罗斯的战略导弹“白杨 M”导弹均采用 ACM 发射筒。由于 ACM 发射筒相对于金属材料而言，结构质量大幅度减轻，使战略导弹的机动灵活成为可能。在战术领域，ACM 导弹发射筒的应用更加普遍。目前我国在某些导弹型号上也采用了 ACM 仪器舱和发射筒，并取得了良好的应用效果。

2.4 战略导弹的应用

3 ACM未来发展方向

3.1 提高耐热性

以发动机为例，一般来说，材料耐高温性能越好，用它做出来的发动机水平就越高。据理论计算和试验发现，发动机的工作温度每提高 100 ℃，它的推力就可提高 15 % 左右。可见提高发动机材料耐高温性能的重要性，而 ACM 的高温性能主要由树脂基体决定，因此耐高温树脂基体的研究是今后 ACM 应用发展的一个重要内容。

3.2 低成本ACM制造技术

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（上接 11 页）

ACM 低成本制造技术是当今世界 ACM 技术发展的核心问题。它包括以下几个主要方面：降低原材料成本，尤其是高性能碳纤维成本，世界呼声很高；开发低温固化、高温使用的树脂和预浸料，节约能源；开发长寿命的预浸料；使用混杂纤维 ACM；通过工艺创新如电子束固化工艺等降低制造成本。

是航空航天工业，航空航天工业的发展和需求一直对 ACM 的研究起着积极的促进作用，同时 ACM 的飞速发展又为航空航天的新型结构设计和制造提供了更大的发展空间。

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3.3 提高抗冲击韧性

提高航空用结构 ACM 的抗冲击韧性一直是一个重要的研究课题。ACM 的抗冲击性能主要依赖于树脂的交联密度。可通过改变树脂和固化剂结构，增加柔性链段，或利用高韧性、耐高温的橡胶或热塑性树脂增韧，提高抗冲击性能。这样既不牺牲预浸料的工艺性和 ACM 的耐热性，

又赋予材料类似于热塑性树脂的抗冲击性能。

总之，ACM 形成产业并首先应用的领域就

[4] 翁祖祺, 陈博, 张长发. 中国玻璃钢工业大全[M]. 北京:

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