周苑生

摘 要：先進(jìn)復(fù)合材料由于具有多功能性、結(jié)構(gòu)整體性、可設(shè)計(jì)性等眾多優(yōu)良特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛推廣和使用，而復(fù)合材料應(yīng)用量最大，技術(shù)含量最高的是航空航天領(lǐng)域。本文簡(jiǎn)要描述了先進(jìn)復(fù)合材料的組成及發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用，同時(shí)以此為依據(jù)，提出對(duì)于我國(guó)在低成本復(fù)合材料制造方面的展望與想法。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；航空航；樹脂基體；纖維

中圖分類號(hào)：V257 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

從最初采用泥土和麥秸堆砌房子到現(xiàn)代的鋼筋水泥，人們很早就認(rèn)識(shí)到，可以將兩種或多種不同性能的材料進(jìn)行組合，制備得到性能更加優(yōu)異的材料。如古埃及修建的金字塔，就是采用石灰、火山灰等作為黏合劑，混合砂石作為砌料進(jìn)行搭建的，這是最早最原始的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。復(fù)合材料 （Composite）由兩種或兩種以上獨(dú)立物理相通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料，在宏觀和微觀上具有不同的結(jié)構(gòu)尺度和層次的多相固體材料。而先進(jìn)復(fù)合材料（Advanced Composites Material，簡(jiǎn)稱ACM）特指由高性能纖維及高性能樹脂復(fù)合而成的高性能復(fù)合材料或具有某種特殊功能（如吸透波、電、熱、防彈等）的復(fù)合材料。由于先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度比模量高等顯著特點(diǎn)，并且具有良好的抗疲勞性能、優(yōu)良的減震性能以及優(yōu)越的耐腐蝕性能，因此，近年來逐漸廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

1 先進(jìn)復(fù)合材料的組成及發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，應(yīng)用于航空航天應(yīng)用的先進(jìn)復(fù)合材料中，多以碳纖維作為增強(qiáng)體，熱固性樹脂作為基體，而環(huán)氧樹脂又是熱固性樹脂體系中的應(yīng)用最為廣泛的。從20世紀(jì)40年代開始，戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)上就采用了玻璃纖維增強(qiáng)塑料作雷達(dá)罩。到了20世紀(jì)50年代，先進(jìn)復(fù)合材料，主要是碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，開始大量應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，廣闊的應(yīng)用前景促進(jìn)了復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展。

1.1 樹脂

樹脂基體是復(fù)合材料的重要組成部分，樹脂基體使纖維形成一個(gè)整體，因此樹脂起著傳遞載荷和均衡載荷的作用。復(fù)合材料的工藝性能、力學(xué)性能的壓縮程度和斷裂韌性及其他方面的物理或化學(xué)性能都取決于樹脂基體。目前，應(yīng)用較為廣泛的主要有環(huán)氧樹脂和雙馬來酰亞胺樹脂（簡(jiǎn)稱雙馬樹脂）。

1.1.1 環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂是指含有兩個(gè)或多個(gè)環(huán)氧基團(tuán)的有機(jī)物，該類有機(jī)化合物是重要的熱固性樹脂。環(huán)氧樹脂具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模量高、耐腐蝕性能好、加工簡(jiǎn)便、生產(chǎn)效率高和材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)還具有一些特殊的性能，如能夠減振、消音、透波、隱身等特性，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防科技發(fā)展建設(shè)中不可替代的重要材料。但是它也有一定的缺點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)角度看，它的價(jià)格比較高，另一方面脆性較大，常需加入增塑劑。

1.1.2 雙馬樹脂

雙馬來酰亞胺樹脂（簡(jiǎn)稱BMI）的研究要稍晚一些，但其發(fā)展和應(yīng)用的速度很快。雙馬來酰亞胺樹脂是由聚酰亞胺樹脂體系衍生而成的樹脂體系，它是由兩分子的馬來酸酐與一分子的二元胺反應(yīng)生成雙馬來酰胺酸，再經(jīng)過脫水環(huán)化生成。BMI的耐濕性和耐熱性均優(yōu)于環(huán)氧樹脂，但是固化物呈現(xiàn)較大脆性。通過和多種化合物共聚合采用新型增韌劑增韌改型，目前已經(jīng)獲得了沖擊后壓縮強(qiáng)度（CAI）值達(dá) 296 MPa，最高使用溫度達(dá) 177 ℃ 的BMI復(fù)合材料。

1.2 纖維

纖維是復(fù)合材料中的增強(qiáng)體，具有承擔(dān)載荷的作用，是復(fù)合材料的重要組成部分。目前應(yīng)用較為廣泛的是碳纖維和玻璃纖維。

1.2.1 玻璃纖維

玻璃纖維（glass fiber，簡(jiǎn)稱GF）是一種非金屬材料，性能優(yōu)異，種類繁多，具有良好的耐絕緣性和抗腐蝕性，同時(shí)具有耐熱性強(qiáng)和機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)，但脆性和耐磨性較差。除了四氫呋喃（THF）以外對(duì)于一般物質(zhì)則有著較好的耐腐蝕性。對(duì)于玻璃纖維復(fù)合材料而言，玻璃纖維織物的編織方式極為重要，平紋布只用于簡(jiǎn)單的零件，緞紋布則適用于成型復(fù)雜的組件。

1.2.2 碳纖維

由于玻璃纖維模量低，不能滿足宇航工業(yè)中的受力結(jié)構(gòu)需求，因此在20世紀(jì)60年代，開始發(fā)展性能更加優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料。碳纖維（Carbon Fibre，簡(jiǎn)稱CF），是一種含碳量在95%以上，具有高強(qiáng)度高模量的高性能纖維材料。碳纖維是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維材料，沿著纖維的軸向方向堆砌而成，經(jīng)過碳化和石墨化處理后，得到的微晶石磨材料。碳纖維具有良好的耐高低溫性能，在空氣隔絕的條件下，2000 ℃ 依然有一定強(qiáng)度；在液氮氛圍下也不會(huì)脆斷。

2 在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

復(fù)合材料中，最早開發(fā)并應(yīng)用的是GF樹脂基復(fù)合材料。20世紀(jì)40年代，美國(guó)首先在軍用雷達(dá)罩、飛機(jī)油箱上應(yīng)用了玻璃纖維與不飽和聚酯樹脂的復(fù)合材料。但是到了60年代，由于玻璃纖維產(chǎn)品的質(zhì)量較大、模量比較低，逐漸被碳纖維及其他材料所取代。

在飛行器中使用復(fù)合材料的主要目的是減重，通過減重來提升飛行器的性能和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。先進(jìn)復(fù)合材料的使用大大增加了軍用運(yùn)輸機(jī)的有效載重，減重比率可達(dá) 20%～30%。飛行器的減重，增加了軍用飛機(jī)的承載能力，加大了軍用飛機(jī)的載油量，克服了傳統(tǒng)材料在高超聲速飛行器的瓶頸問題。自20世紀(jì)80年代后，軍用飛機(jī)開始大幅采用先進(jìn)復(fù)合材料，其用量在機(jī)身質(zhì)量的20%以上，如法國(guó)的Rafale于1980年試飛，復(fù)合材料占質(zhì)量比的40%，到了1989年，聞名世界的美國(guó)B-2轟炸機(jī)的先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用量攀升到了35%。

然而，隨著科技的發(fā)展，單純的減重已經(jīng)無法滿足軍機(jī)的需求，這就要求先進(jìn)復(fù)合材料由單一功能走向多功能一體化。隱形轟炸機(jī)B-2大量使用雷達(dá)吸波材料，使雷達(dá)波反射量等同于一只鳥，超強(qiáng)的隱身能力能讓它在完成攻擊任務(wù)后不會(huì)遭到敵方追擊。

在無人機(jī)方面，復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)同樣明顯，美國(guó)空軍的RQ-4“全球鷹”無人機(jī)是目前最先進(jìn)的無人機(jī)之一。在該無人機(jī)中，除了機(jī)身的主結(jié)構(gòu)是鋁合金材料以外，其余結(jié)構(gòu)均由復(fù)合材料制作而成，其中機(jī)翼、尾翼、后機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)短艙材料采用碳纖維復(fù)合材料，而雷達(dá)罩和整流罩則選用玻璃纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料的總用量占總重量的65%左右。endprint

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)輕量化，對(duì)衛(wèi)星功能和運(yùn)載火箭的要求非常重要，因此，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。國(guó)際通信衛(wèi)星VA中心的推力筒，將鋁替換為碳纖維復(fù)合材料后，質(zhì)量減少23kg（約為總質(zhì)量的30%），使得有效載荷艙的電話線路增加了450條。目前，衛(wèi)星系統(tǒng)中的微波通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等均采用了先進(jìn)復(fù)合材料作為支撐結(jié)構(gòu)件，大大減輕了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量。我國(guó)的“風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星”和“神舟”系列飛船的主承力結(jié)構(gòu)件都是采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，這樣大大減輕了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低發(fā)射成本。

我國(guó)的先進(jìn)復(fù)合材料固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體制造技術(shù)的研究起步較晚，與國(guó)外存在一定的差距，但經(jīng)過近40年的發(fā)展，從無到有，取得了很大進(jìn)步。玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料和芳綸纖維/環(huán)氧復(fù)合材料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體已經(jīng)成功應(yīng)用于航天運(yùn)載方面，如今正在進(jìn)行的是高性能碳纖維復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的研制。以發(fā)動(dòng)機(jī)為例，一般來說，材料耐高溫性能越好，用它做出來的發(fā)動(dòng)機(jī)水平就越高。根據(jù)理論計(jì)算和試驗(yàn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度每提高100 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)可以增加約 15% 的推力。對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料而言，其耐高溫性能主要取決于所采用的樹脂基體。我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)航天學(xué)院的新型陶瓷纖維及其復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研制出的具有超強(qiáng)吸附能力的超輕納米材料。該材料具有很強(qiáng)的耐高溫性，在2000℃的高溫下，依然能夠正常使用，還可通過燃燒的方式重復(fù)使用，在航空航天高溫?zé)岱雷o(hù)領(lǐng)域、有毒化學(xué)物質(zhì)吸附和清除領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。

3 總結(jié)與展望

限制復(fù)合材料的廣泛推廣，無外乎兩個(gè)因素，一是材料本身性能的限制，二是工藝成本太高。因此，未來復(fù)合材料的發(fā)展也勢(shì)必會(huì)從這兩方面入手，提高復(fù)合材料的抗沖擊韌性，降低復(fù)合材料的制造成本。

3.1 提高抗沖擊韌性

復(fù)合材料抗沖擊性能的提高主要與樹脂的交聯(lián)密度有關(guān)，可以通過改變樹脂和固化劑的結(jié)構(gòu)，來增加柔性鏈段的數(shù)量，利用高韌性、耐高溫的熱塑性樹脂進(jìn)行增韌，以此提高復(fù)合材料的抗沖擊性能。

3.2 低成本的先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)

隨著先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用民用化，較低成本的復(fù)合材料制造技術(shù)必定得到發(fā)展。依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，來設(shè)計(jì)復(fù)合材料，選出最優(yōu)方案。同時(shí)利用計(jì)算機(jī)的模擬功能，分析復(fù)合材料在一些特殊環(huán)境下的適應(yīng)能力，得到可靠的數(shù)據(jù)，從而降低設(shè)計(jì)成本。

先進(jìn)復(fù)合材料對(duì)于經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)和國(guó)家安全極為重要，它的發(fā)展和應(yīng)用標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家擁有的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)、軍事實(shí)力和科學(xué)水平。近年來，先進(jìn)復(fù)合材料在我國(guó)的發(fā)展仍然十分迅速，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。但依據(jù)國(guó)外的樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)和經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)的復(fù)合材料發(fā)展無論是研究水平還是應(yīng)用方面都有一定的差距。

參考文獻(xiàn)

[1]杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007（1）：1-12.

[2]趙稼祥.民用航空和先進(jìn)復(fù)合材料[J].高科技纖維與應(yīng)用，2007（2）：6-10.

[3]陳紹杰.論我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)事業(yè)的發(fā)展[J].高科技纖維與應(yīng)用，2013（1）：1-11.

[4]劉善國(guó).國(guó)外飛機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2014（19）：26-31.

[5]何楠，楊加斌，高峰.先進(jìn)復(fù)合材料在軍用無人機(jī)上的應(yīng)用動(dòng)向[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2013（2）：94-97.

[6]王衡.先進(jìn)復(fù)合材料在軍用固定翼飛機(jī)上的發(fā)展歷程及前景展望[J].纖維復(fù)合材料，2014 （4）：41-45.

[7]李雷.復(fù)合材料在航空器結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[A].吉林省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì).發(fā)揮科技支撐作用深入推進(jìn)創(chuàng)新發(fā)展——吉林省第八屆科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].吉林省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)：，2014：2.

[8]蘇霞.先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)[J]. 橡塑技術(shù)與裝備，2015（24）：49-52.

[9]周鵬，周中波.復(fù)合材料用高性能纖維及熱塑性樹脂發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 合成纖維，2015 （8）：21-26，41.

[10]湯旭，李征，孫程陽.先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2016 （13）：39-42.

[11]都禹辰.淺析先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].化工管理， 2017 （3）：99.

[12]何熹.2017年復(fù)合材料市場(chǎng)預(yù)測(cè)[J].玻璃纖維，2017（1）：47-48.endprint