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1、复合材料在航空航天领域研究综述摘要：复合材料相比于其它材料具有质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特性，成为航空航天领域的理想材料，本文综述了复合材料在航空航天领域的研究、应用现状及今后发展前景与趋势。关键词：复合材料；航空航天；研究应用现状；发展前景一. 前言复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。复合材料一词大约出现在20世纪50年代，由于其具有高度的复杂性多样性存在着多种颇为严格的定义，国内最权威的是两院院士师昌绪给出的比较全面完整的定义，这个定义的叙述是：“复合材料是有有机高分子，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，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效
2、应而获得原组分所不具备的性能，与一般材料的简单混合有本质的区别。”1 由于复合材料具有质量轻,。较高的比强度、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、透电磁波, 吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点,。是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。 自从先进复合材料投入应用以来，有三件值得一提的成果。第一件是美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机-里尔芳2100号，并试飞成功。第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长18.2m、宽4.6m的主货舱门，用凯芙拉纤维/
3、环氧树脂制造各种压力容器。在这架代表近代最尖端技术成果的航天收音机上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材料。第三件是使用了先进复合材料作为主承力结构，制造了这架可载80人的波音-767大型客运飞机，不仅减轻了重量，还提高了飞机的各种飞行性能。复合材料在这几个飞行器上的成功应用，表明了复合材料的良好性能和技术的成熟，这对于复合材料在重要工程结构上的应用是一个极大的推动。二.研究现状目前航空航天领域应用较广的复合材料航空主要包括树脂基复合材料、金属基复合材料、碳基复合材料和陶瓷基复合材料。2.1 树脂基复合材料树脂基复合材料有玻璃酚醛、高硅氧酚醛、石英酚醛、碳酚醛、涤纶酚醛材料和以不同树脂为基体的低密度
4、烧蚀材料。其中玻璃酚醛、高硅氧酚醛和石英酚醛材料属于碳化-熔化型烧蚀村料，适用于中等焓值和中等热流密度的工作环境再入飞行器和中等推力的固体火箭发动机防热材料；碳酚醛材料属于碳化-升华型烧蚀材料，适用于能发挥升华效应的较高焓值和较高热流密度的工作环境，可用于更远距离再入飞行器和高性能固体火箭发动机喷管等；涤纶酚醛材料和低密度烧蚀材料适用于高焓、低热流和较长时间再入的航天飞行器如返回式卫星和飞船等。树脂基介电-防热材料有高硅氧聚四氟乙烯材料，它属于升华-熔化型烧蚀材料，烧蚀过程中不生成碳，具有良好的透波性能，烧蚀性能与高硅氧酚醛相匹配，用作航天器天线窗口材料。先进树脂基复合材料是以高性能纤维为增强
5、体、高性能树脂为基体的复合材料。与传统的钢、铝合金结构材料相比,它的密度约为钢的1/5,铝合金的1/2,且比强度与比模量远高于后二者。目前用途最广的主要有碳纤维复合材料( CFRP)和芳纶纤维复合材料( AFRP)。CFRP 具有比强度高、耐高温、减振性好、耐疲劳性能优越等突出优点,是目前民用飞机上用量最大,也是航空航天等尖端科技领域发展较为成熟的先进复合材料2。AFRP热稳定性好,耐介质性能优良,可作为复合装甲材料,有较强的防护力。国外近年致力于将该种材料用于制作军、民用飞机的光谱屏蔽材料,其关键性能指标-抗冲击性能相当出色。2.2 金属基复合材料金属基复合材料主要是指以Al、Mg等轻金属为
6、基体的复合材料。在航空和宇航方面主要用它来代替轻但有毒的铍。这类材料具有优良的横向性能、低消耗和优良的可加工性,已成为在许多应用领域最具商业吸引力的材料,并且在国外已实现商品化。而在我国仅有少量批量生产,以汽车及机械零件为主,年产量仅5000吨左右,与国外差距较大3。2.3 陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料属于耐热结构复合材料。目前美国和西欧各国侧重于对陶瓷基复合材料在航空和军事应用上的研究。美国国防部一直把这项技术列入重点投资项目,仅1992年美国投入陶瓷基复合材料应用研究的经费就高达3500万美元4；法国SEP公司用陶瓷基复合材料制成的SCD- SEP火箭试验发
7、动机已通过点火试车,并使结构减重50%5。国内从20世纪90年代初开始进行该领域的研究,目前尚未有批量生产的报道。我国获得应用的陶瓷基耐高温防热透波阻及防热，透波，承载多功能复合材料主要为二氧化硅基复合材料。二氧化硅基透波复合材料是以二氧化硅材料为基体，采用高硅氧纤维织物或石英纤维织物作为增强体，经浸渍增密、热处理、防潮处理等工艺技术途径制备的复合材料，具有优良的防热、耐热、透波、承载及抗冲击等功能。三.应用现状3.1 飞机机身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。飞机用
8、复合材料经过近40年的发展,已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件, 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的贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑, 其设计、制造和使用经验已日趋丰富。迄今为止, 战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30%左右,新一代战斗机将达到40%;直升机和小型飞机复合材料用量将达到( 70-80)%左右, 甚至出现全复合材料飞机。“科曼奇”直升机的机身有70% 是由复合材料制成的,但仍计划通过减轻机身前下部质量,以及将复合材料扩大到配件和轴承中,以使飞机再减轻15%的质量。“阿帕奇”为了减轻质量,将采用复
9、合材料代替金属机身。使用复合材料,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6，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。例如由国内3家科研单位合作开发研制的某歼击机复合材料垂尾壁板, 比原铝合金结构轻21
10、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。在316这一极限温度下的环境中,复合材料不仅性能优于金属,而且经济效益高。据波音公司估算,喷气客机质量每减轻1kg,飞机在整个使用期限内即可节省2200美元。3.2 航空涡轮发动机上的应用由
11、于具有密度小、比强度高和耐高温等固有特性,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。如JTAGG验证机的进气机匣采用碳纤维增强的PMR15树脂基复合材料,比采用铝合金质量减轻26%；F136发动机采用与F110-132发动机相似的复合材料风扇机匣,使质量减轻9kg。( 2) 碳化硅纤维增强的钛基复合材料7凭借密度小
12、( 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8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。3.3 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
13、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。3.4 航空隐身材料上的应用新型隐身材料对于飞机和导弹屏蔽或衰减雷达波或红外特征，提高自身生存和突防能力，具有至关重要的作用
14、。在雷达波隐身材料方面，除涂层外，复合材料作为结构隐身材料正日益引起人们的关注，主要为碳纤维增强热固性树脂基复合材料（如C/EP、C/PI或C/BMI）和热塑性树脂基复合材料（如C/PEEK，C/PPS），目前已经得到了某些应用。四. 发展前景 复合材料是未来发展我国航空航天工程最有前途的材料,在未来的研制中涡轮发动机材料必须在抗拉强度、蠕变阻力、低和高循环疲劳、耐高温腐蚀和耐冲击损伤等方面满足要求。提高复合材料高耐热性、强度和韧性是发展复合材料的关键,今后在耐高温材料上应重点研制结构陶瓷、陶瓷复合材料, 和微叠层复合材料。同时要在研究低成本复合材料的制造技术上加大力度。参考文献1 沃丁柱.
15、复合材料大全 ,北京 :化学工业出版社. 19992 科学研究动态监测中心. 战略高技术研究动态监测快报R. 成都: 中科院成都文献情报中心, 20053 孙晋良. 当前中国尖端材料发展的现状和趋势R.上海: 中国复合材料学会, 2004.4 OKOJIE R S, SAVRUN E, NGUYEN P, et al Relirbility Evaluation of Direct Chip Attached Silicon Carbide Pressure TransducersA. 3rd International Conferenceon Sensors C. Vienna, Austria: 2004. 24-27.5 张佐光. 功能复合材料M. 北京: 化学工业出版社, 2004. 22-30.6 邓云, 王欣, 李建国, 等. 新型海冰调查设备-冰样压缩机J. 海洋技术, 2006, 25(1) : 50-537 张世银, 汪仁和. 多功能冻土三轴试验机的研制与应用J. 试验技术与试验机, 2007, 47( 1) : 67-708 高向群, T. H. Jacka. 人造冰和冰芯冰蠕变和方位组构发展对比J. 冰川冻土, 1995, 17(4) : 343-349
