复合材料在航天航空领域的应用现状与展望

复合材料在航天航空领域的应用现状与展望

摘 要现代飞机和卫星的制造材料应具有质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特性，先进复合材料的独有性能使它成为制造卫星和飞机的理想材料。本文重点介绍了我国航天用符合材料的研究情况，并展望了今后的发展趋势。

关键词复合材料；航空航天；应用现状；发展趋势

Prospect and Application of Composites in Aviation and Aerospace

Abstract Nowadays, the material of producing planes and satellites should be light, strong and should resist high temperature, corrosion and so on. Because of the unique peculiarities, advanced composites become the ideal material of producing planes and satellites. In this paper, the present status and prospect of applied research on composite materials for aero-space application in China are given.

Key words composites; aviation and aerospace ; application and development; development trends

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0 前言

材料是社会发展的物质基础和先导，而新型材料则是体现社会进步的重要里程碑。新材料技术是支撑当今人类文明的现代工业关键技术，新材料技术一直是各国科技发展规划中一个十分重要的领域，它与能源技术、生物技术、信息技术一起被公认为当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高科技技术。复合化是新型材料的重要发展方向，也是新型材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一。复合材料已发展成为与金属材料、高分子材料、无机非金属材料并列的四大材料体系之一。今天，一个国家的复合材料工业水平已经成为衡量其科技与经济实力的主要标志之一。先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争优势的源泉。预测到2020年，只有复合材料才具有潜力获得20-25%的性能提升。

复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原有组分材料的主要特色，又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同，从而获得原组分材料无法比拟的优越性能，与一般材料的简单混合体有本质的区别。所谓先进复合材料是指用碳纤维等高性能增强相增强的复合材料，对于先进树脂基复合材料，在综合性能上与铝合金相当，但比刚度比强度高于铝合金。

1 应用现状

1.1 飞机机身上的应用 1.1.1 飞机机身结构上的应用

先进复合材料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。目前被大量地应用在飞机机身结构制造上和小型无人机整体结构制造上。

以典型的第四代战斗机F/A-22为例复合材料占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。近10年来，国内飞机上也较多的使用了复合材料。例如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复合材料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复合材料，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。

1.1.2 飞机隐身上的应用

近几十年来，隐身复合材料的研究取得了长足进展，正朝着“薄、轻、宽(频谱)、强(耐冲击、耐高温)”方向发展。美国最先将隐身材料用在飞机上，用隐身材料最多的是F-117和F-22飞机。F-117的隐身涂层十分复杂，有7种材料之多。

2000年，美空军对F-117的隐身材料进行更新，将原来的7种隐身材料涂层更换为1种，全部F-117将具有通用的维修程序和雷达波吸收材料，技术规程的数量减少大约50%。改进后F-117的每飞行小时维修时间缩短一半以上，全部52架F-117的年维护费用从1450万美元降至690万美元。F-22 不采用全机涂覆吸波涂层的方法，但在机身内外的金属件上全部采用了铁氧体吸波涂层，它是一种有韧性的耐磨涂料，较之F-117的涂料易于喷涂且耐磨。专家预测到本世纪30代，导电高分子电致变色材料、掺杂氧化物半导体材料、纳米复合材料和智能隐身等复合材料将实际用于飞机，它将使飞机的航电系统及控制方式发生根本性的变化。

1.2 航空发动机上的应用 1.2.1 涡轮发动机上的应用

由于具有密度小、比强度高和耐高温等

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固有特性，复合材料在航空涡轮发动机上应用的范围越来越广且比例越来越大，使航空涡轮发动机向“非金属发动机”或“全复合材料发动机”方向发展。

(1)树脂基复合材料

凭借比强度高，比模量高，耐疲劳与耐腐蚀性好，阻噪能力强的优点，树脂基复合材料在航空发动机冷端部件(风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等)和发动机短舱、反推力装置等部件上得到广泛应用。

(2)碳化硅纤维增强的钛基复合材料 凭借密度小(有的仅为镍基合金的1/2)，比刚度和比强度高，耐温性好等优点，碳化硅纤维增强的钛基复合材料在压气机叶片、整体叶环、盘、轴、机匣、传动杆等部件上已经得到了广泛应用。

(3)陶瓷基复合材料

目前主要的陶瓷基复合材料产品是以SiC或C纤维增强的SiC和SiN基复合材料。凭借密度较小(仅为高温合金的1/3～1/4)，力学性能较高，耐磨性及耐腐蚀性好等优点，陶瓷基复合材料，尤其是纤维增强陶瓷基复合材料，已经开始应用于发动机高温静止部件(如喷嘴、火焰稳定器)，并正在尝试应用于燃烧室火焰筒、涡轮转子叶片、涡轮导流叶片等部件上。

1.2.2 火箭发动机上的应用

由于火箭发动机喷管壁受到高速气流的冲刷，工作条件十分恶劣，因此C/C最早用作其喷管喉衬，并由二维、三向发展到四向及更多向编织。同时火箭发动机设计者多年来一直企图将具有高抗热震的Ct/SiC用于发动机喷管的扩散段，但Ct的体积分数高，易氧化而限制了其广泛应用，随着CVD、CVI技术的发展，新的抗氧化Ct/SiC及C-C/SiC必将找到其用武之地。

目前为解决固体火箭发动机结构承载问题，美国和法国正在进行陶瓷纤维混合碳纤维而编织的多向(6向)基质、以热稳定氧化物为基体填充的陶瓷复合材料。SiC陶瓷制成的喉衬、内衬已进行多次点火试验。今天作为火箭锥体候选材料的有A12O3、ZrO2、ThO2等陶瓷，而作为火箭尾喷管和

燃烧室则采用高温结构材料有SiC、石墨、高温陶瓷涂层等。

1.3 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复合材料取代铝后减质量23kg(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复合材料。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复合材料化。我国在“风云二号气象卫星”及“神舟”系列飞船上均采用了碳/环氧复合材料做主承力构件，大大减轻了整星的质量，降低了发射成本。

2 未来展望

2.1 原材料技术

复合材料发展的基础和前提是原材料技术，主要包括基体和增强体，而其中增强纤维技术尤为重要。高模量和高强度的纤维既能为基体分担大部分外加应力，又可阻碍裂纹的扩展，并且当局部纤维发生断裂时以“拔出功”的形式消耗部分能量，起到提高断裂能并克服脆性的效。目前关于碳纤维的研究主要是提高模量和强度，降低生产成本。使用的纤维先驱体仍然主要是PAN（聚丙烯腈）和沥青纤维，二者所用物质的量比约为6:1。一般来说PAN基碳纤维具有高强度，而沥青基碳纤维具有高模量。但通过控制微观结构缺陷、结晶取向、杂质和改善工艺条件，利用PAN或沥青纤维均可获得高强高模纤维。事实上到目前为止，要稳定生产模量大于700GPa和强度大于5.5GPa的高模高强碳纤维仍然是非常困难的。碳纤维的压缩强度较低，离子注入技术可改善碳纤维的压缩强度，但这种工艺成本很高。

2.2 低成本技术

目前，复合材料的需求量快速增长，而高成本已经成为制约复合材料广泛应用的瓶颈。提高复合材料的性价比，除了在原材

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料、装配与维护等方面进行研究改进外，更重要的是降低复合材料的制造成本。

低成本制备技术也是低成本技术发展的一个方向。自动铺带技术和自动纤维丝束铺放技术具有高效、低成本的特点，特别适合于大尺寸和复杂构件的制造，减少了拼装零件的数目，节约了制造和装配成本，充分利用了材料，极大地降低了材料的废品率和制造工时。

改进的纤维缠绕和多维编织技术、树脂传递模塑（RTM）和树脂膜熔浸（RFI）工艺及其衍生工艺、新型非热压罐固化工艺以及工艺模拟和智能化技术等也是新兴的复合材料低成本制造技术。目前研究最多最有发展前景的是电子束固化工艺，该工艺的优点是固化温度低、耗能低、模具材质要求不高；固化过程时间短、效率高、环境污染小，并可与RTM、拉挤、缠绕等自动化工艺相结合。

2.3 新型复合材料 2.3.1 超轻材料与结构

格栅增强结构的概念是20世纪70年代由美国麦道公司首先提出，其基本构想是：整个结构由铝合金加强肋与蒙皮组成，加强肋呈正多边形网格分布，整个结构表现出各向同性。这种结构形式刚刚出现，就以较高的可设计性、优越的潜在性能备受关注。

2.3.2 纳米复合材料

纳米复合材料是由2种或2种以上的固相至少在一维以纳米级大小（1-100nm）复合而成的复合材料。纳米复合材料包括纳米颗粒增强复合材料、纳米片层增强复合材料、纳米纤维增强复合材料和碳纳米管增强复合材料等。纳米复合材料已经成为先进复合材料技术的一个新增长点，也是先进复合材料技术研究最活跃的前沿领域之一。纳米复合材料的超常特性使其在航空航天等领域具有广泛的应用前景。

2.3.3 多功能复合材料

随着新一代航空航天器向高超声速方向的发展，苛刻的超高温服役环境对材料及

结构的承载与防热提出了严峻考验，碳/碳(C/C)复合材料是适应这种需求的重要候选材料。C/C复合材料从碳纤维增强相结构可分为碳毡C/C和多向编织C/C复合材料。作为一种新型战略材料，C/C复合材料的国防专用性和强烈的军事背景使其研制和使用具有高度的机密性。碳基防热复合材料主要用于烧蚀防热和热结构，较好地解决了轻质化、抗热震、耐侵蚀等技术难题。除了传统的C/C复合材料以外，近年来，美、俄、法等国家又开发了许多混杂其它材料的新型C/C材料以满足不同的特殊使用要求。例如：在C/C材料中混入Si3N4、SiC、TiC、TaO、TaC等粉末，以提高C/C材料抗粒子侵蚀性能。更新的弹头鼻锥防热材料是针刺细编织物在穿刺或编织过程中加入改进性能的组分，如耐熔金属丝、耐侵蚀粒子等，这样可大大改进抗粒子侵蚀性能，达到全天候的目的。此外，四向或更多向碳基复合材料也是研制发展的方向，由于采用了交错网络结构和增加了增强方向数，不仅增加了各向同性、提高了抗侵蚀能力，也改进了耐烧蚀性。

3 结语

随着航空航天技术的飞速发展，对材料的要求也越来越高，一个国家新材料的研制与应用水平在很大程度上体现了其国防和科研技术水平，因此许多国家都把新型材料的研制与应用放在科研工作的首要地位。新型航空航天器的先进性标志之一是结构先进性，而先进复合材料是实现结构先进性的重要基础和先导技术。我国将成为世界上先进复合材料的最大用户，却面临着我国技术贮备的严重不足以及国外技术封锁等考验。因此，要实现我国先进复合材料研制和应用的可持续发展，必须坚持自主创新原则，解决原材料问题，低成本技术问题以及材料新型开发问题。

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