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1、龙源期刊网 http:/先进复合材料在航空航天领域的应用作者：周苑生来源：中国新技术新产品2018 年第 03 期摘 要：先进复合材料由于具有多功能性、结构整体性、可设计性等众多优良特点，在各个领域被广泛推广和使用，而复合材料应用量最大，技术含量最高的是航空航天领域。本文简要描述了先进复合材料的组成及发展现状，并介绍了先进复合材料在航空航天领域的国内外应用，同时以此为依据，提出对于我国在低成本复合材料制造方面的展望与想法。关键词：复合材料；航空航；树脂基体；纤维中图分类号：V257 文献标志码：A从最初采用泥土和麦秸堆砌房子到现代的钢筋水泥，人们很早就认识到，可以将两种或多种不同性能的材料进行
2、组合，制备得到性能更加优异的材料。如古埃及修建的金字塔，就是采用石灰、火山灰等作为黏合剂，混合砂石作为砌料进行搭建的，这是最早最原始的颗粒增强复合材料。复合材料 （Composite）由兩种或两种以上独立物理相通过复合工艺组合而成的新型材料，在宏观和微观上具有不同的结构尺度和层次的多相固体材料。而先进复合材料（Advanced Composites Material，简称 ACM）特指由高性能纤维及高性能树脂复合而成的高性能复合材料或具有某种特殊功能（如吸透波、电、热、防弹等）的复合材料。由于先进复合材料具有比强度比模量高等显著特点，并且具有良好的抗疲劳性能、优良的减震性能以及优越的耐腐蚀性能
3、，因此，近年来逐渐广泛应用于航空航天领域。 1 先进复合材料的组成及发展现状当前，应用于航空航天应用的先进复合材料中，多以碳纤维作为增强体，热固性树脂作为基体，而环氧树脂又是热固性树脂体系中的应用最为广泛的。从20世纪 40年代开始，战斗机、轰炸机上就采用了玻璃纤维增强塑料作雷达罩。到了20世纪 50年代，先进复合材料，主要是碳纤维增强树脂基复合材料，开始大量应用于航空航天领域，广阔的应用前景促进了复合材料行业的发展。 1.1 树脂树脂基体是复合材料的重要组成部分，树脂基体使纤维形成一个整体，因此树脂起着传递载荷和均衡载荷的作用。复合材料的工艺性能、力学性能的压缩程度和断裂韧性及其他方面的物理
4、或化学性能都取决于树脂基体。目前，应用较为广泛的主要有环氧树脂和双马来酰亚胺树脂（简称双马树脂）。龙源期刊网 http:/ 1.1.1 环氧树脂环氧树脂是指含有两个或多个环氧基团的有机物，该类有机化合物是重要的热固性树脂。环氧树脂具有质量轻、强度高、模量高、耐腐蚀性能好、加工简便、生产效率高和材料可设计性强等特点，同时还具有一些特殊的性能，如能够减振、消音、透波、隐身等特性，是国民经济和国防科技发展建设中不可替代的重要材料。但是它也有一定的缺点，从经济角度看，它的价格比较高，另一方面脆性较大，常需加入增塑剂。 1.1.2 双马树脂双马来酰亚胺树脂（简称BMI）的研究要稍晚一些，但其发展和应用的
5、速度很快。双马来酰亚胺树脂是由聚酰亚胺树脂体系衍生而成的树脂体系，它是由两分子的马来酸酐与一分子的二元胺反应生成双马来酰胺酸，再经过脱水环化生成。BMI的耐湿性和耐热性均优于环氧树脂，但是固化物呈现较大脆性。通过和多种化合物共聚合采用新型增韧剂增韧改型，目前已经获得了冲击后压缩强度（CAI）值达 296 MPa，最高使用温度达 177 的 BMI复合材料。 1.2 纤维纤维是复合材料中的增强体，具有承担载荷的作用，是复合材料的重要组成部分。目前应用较为广泛的是碳纤维和玻璃纤维。 1.2.1 玻璃纤维玻璃纤维（glass fiber，简称 GF）是一种非金属材料，性能优异，种类繁多，具有良好的耐
6、绝缘性和抗腐蚀性，同时具有耐热性强和机械强度高等特点，但脆性和耐磨性较差。除了四氢呋喃（THF）以外对于一般物质则有着较好的耐腐蚀性。对于玻璃纤维复合材料而言，玻璃纤维织物的编织方式极为重要，平纹布只用于简单的零件，缎纹布则适用于成型复杂的组件。 1.2.2 碳纤维由于玻璃纤维模量低，不能满足宇航工业中的受力结构需求，因此在20世纪 60年代，开始发展性能更加优异的碳纤维复合材料。碳纤维（Carbon Fibre，简称 CF），是一种含碳量在95%以上，具有高强度高模量的高性能纤维材料。碳纤维是由片状石墨微晶等有机纤维材料，沿着纤维的轴向方向堆砌而成，经过碳化和石墨化处理后，得到的微晶石磨材料
7、。碳纤维具有良好的耐高低温性能，在空气隔绝的条件下，2000 依然有一定强度；在液氮氛围下也不会脆断。 2 在航空航天领域的应用现状 2.1 国外应用现状龙源期刊网 http:/复合材料中，最早开发并应用的是GF树脂基复合材料。20世纪 40年代，美国首先在军用雷达罩、飞机油箱上应用了玻璃纤维与不饱和聚酯树脂的复合材料。但是到了60年代，由于玻璃纤维产品的质量较大、模量比较低，逐渐被碳纤维及其他材料所取代。在飞行器中使用复合材料的主要目的是减重，通过减重来提升飞行器的性能和经济效应。先进复合材料的使用大大增加了军用运输机的有效载重，减重比率可达 20%30%。飞行器的减重，增加了军用飞机的承载
8、能力，加大了军用飞机的载油量，克服了传统材料在高超声速飞行器的瓶颈问题。自 20世纪 80年代后，军用飞机开始大幅采用先进复合材料，其用量在机身质量的 20%以上，如法国的 Rafale于 1980年试飞，复合材料占质量比的40%，到了 1989年，闻名世界的美国 B-2轰炸机的先进复合材料结构用量攀升到了35%。然而，随着科技的发展，单纯的减重已经无法满足军机的需求，这就要求先进复合材料由单一功能走向多功能一体化。隐形轰炸机B-2大量使用雷达吸波材料，使雷达波反射量等同于一只鸟，超强的隐身能力能让它在完成攻击任务后不会遭到敌方追击。在无人机方面，复合材料的优势同样明显，美国空军的RQ-4“全
9、球鹰”无人机是目前最先进的无人机之一。在该无人机中，除了机身的主结构是铝合金材料以外，其余结构均由复合材料制作而成，其中机翼、尾翼、后机身和发动机短舱材料采用碳纤维复合材料，而雷达罩和整流罩则选用玻璃纤维复合材料，复合材料的总用量占总重量的65%左右。 2.2 国内应用现状卫星的结构轻量化，对卫星功能和运载火箭的要求非常重要，因此，卫星结构的质量要求非常严格。国际通信卫星VA中心的推力筒，将铝替换为碳纤维复合材料后，质量减少23kg（约为总质量的 30%），使得有效载荷舱的电话线路增加了450条。目前，卫星系统中的微波通信系统、能源系统等均采用了先进复合材料作为支撑结构件，大大减轻了卫星结构质
10、量。我国的“风云二号气象卫星”和“神舟”系列飞船的主承力结构件都是采用碳纤维/环氧复合材料，这样大大减轻了卫星结构质量，降低发射成本。我国的先进复合材料固体火箭发动机壳体制造技术的研究起步较晚，与国外存在一定的差距，但经过近 40年的发展，从无到有，取得了很大进步。玻璃纤维/环氧复合材料和芳纶纤维/环氧复合材料火箭发动机壳体已经成功应用于航天运载方面，如今正在进行的是高性能碳纤维复合材料发动机壳体的研制。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。根据理论计算和试验，当发动机工作温度每提高100 ，发动机可以增加约 15% 的推力。对先进复合材料而言，其耐高温性能
11、主要取决于所采用的树脂基体。我国国防科技大学航天学院的新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室，研制出的具有超强吸附能力的超轻纳米材料。该材料具有很强的耐高温性，在2000的高温下，依然能够正常使用，还可通过燃烧的方式重复使用，在航空航天高温热防护领域、有毒化学物质吸附和清除领域应用潜力巨大。龙源期刊网 http:/ 3 總结与展望限制复合材料的广泛推广，无外乎两个因素，一是材料本身性能的限制，二是工艺成本太高。因此，未来复合材料的发展也势必会从这两方面入手，提高复合材料的抗冲击韧性，降低复合材料的制造成本。 3.1 提高抗冲击韧性复合材料抗冲击性能的提高主要与树脂的交联密度有关，可以通过改变树脂和
12、固化剂的结构，来增加柔性链段的数量，利用高韧性、耐高温的热塑性树脂进行增韧，以此提高复合材料的抗冲击性能。 3.2 低成本的先进复合材料制造技术随着先进复合材料应用民用化，较低成本的复合材料制造技术必定得到发展。依靠计算机技术的飞跃发展，来设计复合材料，选出最优方案。同时利用计算机的模拟功能，分析复合材料在一些特殊环境下的适应能力，得到可靠的数据，从而降低设计成本。先进复合材料对于经济竞争和国家安全极为重要，它的发展和应用标志着一个国家拥有的经济优势、军事实力和科学水平。近年来，先进复合材料在我国的发展仍然十分迅速，应用范围不断扩大。但依据国外的树脂基复合材料的发展趋势和经验，我国的复合材料发
13、展无论是研究水平还是应用方面都有一定的差距。参考文献 1杜善义.先进复合材料与航空航天J.复合材料学报，2007（1）：1-12. 2赵稼祥.民用航空和先进复合材料J.高科技纤维与应用，2007（2）：6-10. 3陈绍杰.论我国先进复合材料产事业的发展J.高科技纤维与应用，2013（1）：1-11. 4刘善国.国外飞机先进复合材料技术J.航空制造技术，2014（19）：26-31. 5何楠，杨加斌，高峰.先进复合材料在军用无人机上的应用动向J.玻璃钢/复合材料，2013（2）：94-97. 6王衡.先进复合材料在军用固定翼飞机上的发展历程及前景展望J.纤维复合材料，2014（4）：41-45
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