李加壯

摘要：先進復合材料是能夠用于加工主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)，并且先進復合材料的剛度和強度性能相當于或著已經(jīng)超過了鋁合金的復合材料，它還具有較輕的質(zhì)量和較高的比強度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、隔音、隔熱、耐高（低）溫及減震等方面的特點，先進復合材料的優(yōu)勢讓它被大量運用到航空航天、醫(yī)學、建筑、機械等行業(yè)。了解先進復合材料的應用和發(fā)展前景，對我國航空航天領域的發(fā)展和技術進步有非常重要的作用和意義。本文將會對先進復合材料在航空航天領域的應用和效果進行分析，為航空航天領域的工程技術人員提供參考和建議。

關鍵詞：先進復合材料；航空航天；應用

引言

先進復合材料在航空航天領域的應用是在近二十多年才開始的，使用歷史較短，但是先進復合材料的可設計性較強、強度比模量高、靠疲勞性能和耐腐蝕性能好，可以大面積整體成形，這些特點比傳統(tǒng)的鋁合金或者鋼合金結(jié)構(gòu)顯示出更多的優(yōu)勢，也使得它在短短的時間內(nèi)就得到了廣泛的應用，且在航空航天領域得到重點使用，推動了航空航天事業(yè)的發(fā)展。先進復合材料的使用和研究，已經(jīng)成為當前航空航天領域先進性和進步性的重要標志，是各國爭相發(fā)展和探究的核心科技，在我國亦是如此。對先進復合材料的了解和技術研究，對航空航天產(chǎn)品制造和使用以及航空航天領域的發(fā)展有重要意義，值得進一步分析。

一、先進復合材料的研發(fā)及使用

先進復合材料是指能夠用于加工主承力結(jié)構(gòu)以及次承力結(jié)構(gòu)，且剛度和強度性能等于或超過鋁合金的復合材料。先進復合材料具有較好的延展性、抗腐蝕性、比模量和比強度都比較高、隔熱、隔音以及耐高（低）溫等特點。航空航天行業(yè)上采用的先進復合材料主要是樹脂基復合材料、碳基復合材料、金屬基復合材料以及陶瓷基復合材料這幾類先進復合材料。

（一）樹脂基復合材料

先進樹脂基復合材料是指以高性能纖維為增強體和高性能樹脂為基體的復合材料。當前使用較廣的是芳綸纖維復合材料和碳纖維復合材料。碳纖維復合材料具有耐高溫、比強度高、耐疲勞、減振性好的優(yōu)點，在民用飛機上使用較多，在航空航天尖端科學技術領域發(fā)展比較成熟；芳綸纖維復合材料具有耐介質(zhì)性能好、熱穩(wěn)定性好的特點，能夠成為復合裝甲材料，防護力非常強，有很多國家將其用在了軍用或民用飛機的“光譜屏蔽”材料中，因為它的抗沖擊性能非常突出。

（二）金屬基復合材料

金屬基復合材料通常是以金屬或者合金為連續(xù)顆粒，以晶須或纖維形式的第二相組成的復合材料，目前其制備和加工都比較困難，成本較高，常用在航天航空和軍事工業(yè)上。

金屬基復合材料在力學方面特點為橫向與剪切強度較高、韌性與疲勞等綜合力學性能較好，還具有導熱、耐磨、導電、熱膨脹系數(shù)小、不吸濕、阻尼性好、不老化及無污染等優(yōu)點。

（三）碳基復合材料、陶瓷基復合材料

碳基復合材料是以碳纖維或者碳化硅等陶瓷纖維作為增強體、以碳為基體的復合材料。陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體并與各種纖維復合的一種復合材料。陶瓷基體可有氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)的陶瓷，它們具有耐高溫、高強度和剛度、重量相對較輕及抗腐蝕等優(yōu)點。例如，有的國家將其用于火箭試驗發(fā)動機的結(jié)構(gòu)上，且已經(jīng)通過點火試車，效果非常好。

二、先進復合材料在航空航天領域的應用

目前，先進復合材料的使用已經(jīng)非常廣泛，盡管它還存在一些問題，但是在航空航天領域先進復合材料的使用量平均以每年9%左右的速度在增長。隨著航空器向著高速、高空、智能化和信息化方向發(fā)展和進步，先進復合材料必然在航空武器以及民用航空領域、航天領域做出重要的貢獻。

（一）在戰(zhàn)斗機和直升機上的應用

在戰(zhàn)斗機及直升機上，先進復合材料的應用體現(xiàn)在碳纖維復合材料的應用，它主要用在戰(zhàn)斗機的主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)以及戰(zhàn)機特殊部位的特種功能部件上。有一些國家將碳纖維、環(huán)氧及碳纖維、雙馬復合材料用在戰(zhàn)斗機的機身、主翼、平尾翼、垂尾翼、蒙皮等部位，能夠?qū)p重起到非常好的幫助，減重效果顯著。碳纖維復合材料在戰(zhàn)斗機和直升機上的應用，具有抗疲勞、耐腐蝕等性能，且使得機身段比金屬結(jié)構(gòu)的機身段質(zhì)量減輕了約30%，減少零部件約60%，復合材料的垂直安定面能夠減輕將質(zhì)量減輕32%多，大大優(yōu)化了軍機重量系數(shù)和性能，提高了軍機使用效率。

（二）在民航上的應用

隨著先進復合材料的研發(fā)和大量使用，在很多大型的民用客機上先進復合材料也得到了廣泛應用，且效果顯著。例如，當前較為先進的A380客機就采用了約1/4的先進復合材料，單機用量達到了29937kg。先進復合材料在民航客機上的應用越來越廣泛，其獨特優(yōu)勢和特點讓民用客機朝著先進技術方向發(fā)展，服務性能和使用性能大大提高。

（三）宇航領域的應用

宇航工業(yè)中除了燒蝕復合材料之外，對先進復合材料的使用也較為廣泛，并呈上升趨勢。例如，以樹脂基復合材料為例，三叉戟導彈儀器的艙椎體采用了C/EP后重量減輕25%-30%左右。先進復合材料在儀器支架和三叉戟導彈的陀螺支架、彈射滾柱支架、彈射筒支承環(huán)、電池支架、慣性裝置內(nèi)支架等約55個輔助的結(jié)構(gòu)件上，使得重量大大減輕，從而讓射程增加了約342km；德爾塔火箭的保護罩以及級間斷也是由C/EP材料制成的；美國的衛(wèi)星及飛行器上的天線、天線支架以及太陽能電池框架、微波濾波器都采用了C/EP制造，都有非常好的性能和使用效果。

三、結(jié)語

先進復合材料在近二十多年的快速發(fā)展和應用中，工藝和技術都得到了較大的突破，并且在航空航天領域得到廣泛應用。先進復合材料有非常多的優(yōu)點，在軍機和民用飛機以及宇航領域中都有非常好的使用效果，它具有的比強度高、比模量高、可設計性較強、耐腐蝕性、耐高（低）溫等方面的特點，比傳統(tǒng)的鋼或鋁合金材料具備更綜合的優(yōu)勢性能，大大減輕機身重量，提高機體性能和效果。先進復合材料的使用和研發(fā)已經(jīng)成為各國航空航天領域的一大競爭關鍵，我國的先進復合材料研發(fā)和使用較晚，應該積極進行重點研發(fā)和試驗，提高我國航空航天水平。

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