魏小敏

摘要：復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用是人類航空航天事業(yè)發(fā)展與進(jìn)步的基礎(chǔ)和導(dǎo)向，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以后，在全球工業(yè)化高速發(fā)展的推動下，復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造等領(lǐng)域都獲得了良好的發(fā)展，給人類的生活和生產(chǎn)活動等帶來了很大的變化。航空航天復(fù)合材料的綠色化發(fā)展，將航空航天材料的設(shè)計(jì)和制造推向了全新的高度，是符合社會發(fā)展和技術(shù)革新的先進(jìn)理念，未來的發(fā)展前景良好。

關(guān)鍵詞：航空航天;復(fù)合材料;綠色化

1復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的優(yōu)勢

伴隨航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航空結(jié)構(gòu)原材料的來源開始了新的選擇，經(jīng)過多種材料的運(yùn)用比較，復(fù)合材料逐漸走進(jìn)航空航天的研究領(lǐng)域，逐漸被全面運(yùn)用。復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的運(yùn)用，有效減輕了飛機(jī)本身的重量，減少了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使目前的航空航天技術(shù)更便捷地從理論變現(xiàn)到實(shí)踐中。復(fù)合材料以更加優(yōu)越的綜合性能逐漸取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料在航空航天領(lǐng)域中的地位，成為目前航空結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣泛的材料，并且復(fù)合材料巨大的用量使其開始成為影響航空航天事業(yè)的一個重要因素。復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)上的用量目前接近20%左右，隨著時代的發(fā)展和航空航天技術(shù)的不斷更新，航空結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料的需求量持續(xù)擴(kuò)大。在航天器的研發(fā)領(lǐng)域，復(fù)合材料逐漸被廣泛運(yùn)用于航天器的制造、巡航導(dǎo)彈的部件制造等方面。

2復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1陶瓷基復(fù)合材料和碳復(fù)合材料。陶瓷基復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度高、耐熱性強(qiáng)、比重小，能夠承受較高的熱浪沖擊。實(shí)際運(yùn)用中，為了增強(qiáng)陶瓷復(fù)合基的韌性，保證復(fù)合基的使用質(zhì)量，會在陶瓷復(fù)合基形成過程中加入一定量的纖維素，使陶瓷復(fù)合基具有一定的柔韌度，增強(qiáng)陶瓷復(fù)合基的使用性能。碳復(fù)合材料的耐熱性也比較好，兩者作為耐熱性的復(fù)合材料被研制成功，彌補(bǔ)了航空航天領(lǐng)域關(guān)于耐熱結(jié)構(gòu)材料所欠缺的空白，成為未來軍事工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料之一。陶瓷復(fù)合材料和碳復(fù)合材料主要被用于制作飛機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)噴嘴閥，因?yàn)槠淠透邷氐奶匦?，是高溫發(fā)動機(jī)部件的不二之選。如在航空發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)過程中，將陶瓷基復(fù)合材料運(yùn)用于發(fā)動機(jī)的空氣流動通道中，可以減少發(fā)動機(jī)的冷卻過程甚至直接消除，從而大大降低渦輪扇發(fā)動機(jī)的重量，飛機(jī)發(fā)動機(jī)的效率也能夠提升到新的層次。相應(yīng)地，發(fā)動機(jī)性能、耐磨損能力、持久能力以及燃油經(jīng)濟(jì)性也能夠得到很大改善。

2.2金屬基復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料相比于其他的基體材料，具有低消耗、高收益以及優(yōu)良的后續(xù)開發(fā)性和改造型的優(yōu)勢，相比于人為強(qiáng)化的合金材料，具有更加強(qiáng)勁的性能，成為許多應(yīng)用領(lǐng)域中的熱門之選。由于金屬基復(fù)合材料在我國的研發(fā)起步較晚，目前在航空航天領(lǐng)域并沒有大面積投入使用。在未來的航空航天發(fā)展領(lǐng)域中，無人機(jī)的研發(fā)和材料選擇是一個至關(guān)重要的發(fā)展方向。無人機(jī)的主流趨勢是保證飛行機(jī)器飛行高度更高、時間更長、隱身效果更好，而要想提高無人機(jī)的效能、減少投入成本，復(fù)合材料的使用是一大關(guān)鍵要素。金屬基材料在運(yùn)用過程中展現(xiàn)出較多的性能特性，對于一般的金屬材料具有更高的抗壓性、抗高溫性以及導(dǎo)電性，可以作為飛機(jī)上眾多的零部件構(gòu)成材料。如將金屬基復(fù)合材料運(yùn)用在無人機(jī)的機(jī)翼位置，相對于傳統(tǒng)的鋁合金結(jié)構(gòu)，整體重量能夠減輕60%左右。利用復(fù)合材料，研究人員還能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)金屬材料所難以企及的空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)，使無人機(jī)的研究向前跨一大步。

3航空航天復(fù)合材料綠色化發(fā)展技術(shù)

3.1復(fù)合材料開發(fā)技術(shù)。航空航天復(fù)合材料綠色化發(fā)展，從高性能的復(fù)合材料綠色化開發(fā)技術(shù)方向來看，主要有可回收的熱塑性樹脂復(fù)合材料、可降解的熱固性樹脂復(fù)合材料兩種。航空航天應(yīng)用到的高性能復(fù)合材料需要著重解決的問題是熱固性樹脂材料無法回收和降解。在此背景下，從20世紀(jì)90年代開始，世界各國就相繼開發(fā)了一系列的高性能熱塑性樹脂復(fù)合材料，例如聚苯硫醚系列、聚醚酮系列等。此類可降解熱塑性樹脂復(fù)合材料在綜合力學(xué)性能、耐腐蝕性以及韌性等方面都有了很大的提升，并且在開發(fā)技術(shù)和制造工藝上具備了二次以及多次成型的特點(diǎn)，還可以進(jìn)行有效的回收和再利用，被廣泛應(yīng)用在航空航天器的主承力結(jié)構(gòu)上。航空航天熱固性樹脂復(fù)合材料主要指的是環(huán)氧樹脂，該材料具有耐熱性好、固化尺寸穩(wěn)定、耐腐蝕以及粘結(jié)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是近年來使用最為頻繁的復(fù)合材料之一，比較適合用于民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造。

3.2復(fù)合材料制備技術(shù)。航空航天復(fù)合材料的制備需要使用到碳纖維，以此提高復(fù)合材料的性能強(qiáng)度，同時還可以減輕復(fù)合材料的質(zhì)量。碳纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用是航空航天復(fù)合材料制備技術(shù)中的重點(diǎn)，是一項(xiàng)高投入、高能耗以及高污染的產(chǎn)業(yè)，對復(fù)合材料的制備技術(shù)也有很高的要求。為了更好地利用碳纖維，并降低其生產(chǎn)成本，需要從開發(fā)新型碳纖維前驅(qū)體、開發(fā)低成本制備工藝、開發(fā)大絲束品種以及開發(fā)各種新制備技術(shù)等方面入手，全面應(yīng)對復(fù)合材料制備技術(shù)的應(yīng)用困難。其中，木質(zhì)素制備碳纖維技術(shù)可以從乙醇生產(chǎn)副產(chǎn)品中提取出α-纖維素，在經(jīng)過熔紡和碳化以后可以制備成低成本的碳纖維，也可以在杉樹等針葉林木中提出纖維素制備成木質(zhì)碳纖維，這類低成本碳纖維的抗拉強(qiáng)度與石化原料制備而成的碳纖維基本一致，制備成本也相差不大，有效解決了石化資源短缺的問題，但是形成產(chǎn)業(yè)化還需要一定的時間。復(fù)合材料制備技術(shù)的開發(fā)在未來的幾十年里必將獲得成功，碳纖維絲束的品種會越來越多，可以滿足不同設(shè)計(jì)要求的使用，制備工藝也會得到優(yōu)化和創(chuàng)新，新技術(shù)也會層出不窮，會進(jìn)一步提高復(fù)合材料制備的效率，同時降低能耗和資源的浪費(fèi)，推動航空航天復(fù)合材料綠色化的發(fā)展。

3.3回收再利用技術(shù)。航空航天復(fù)合材料中使用到的碳纖維是一種制備成本高昂的產(chǎn)品，據(jù)估算，每制備1t的碳纖維需要花費(fèi)81345元，而且碳纖維在使用后無法被降解，退役或者損壞后只能通過掩埋或者焚燒的方式進(jìn)行處理，資源浪費(fèi)情況嚴(yán)重，而且造成一定的環(huán)境污染，因此航空航天復(fù)合材料的回收再利用技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用就顯得十分有必要，在經(jīng)過數(shù)年的研究和實(shí)驗(yàn)后，目前已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，也得到了有效的應(yīng)用。對熱塑性樹脂復(fù)合材料，使用熔融再生法可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料的回收再利用，復(fù)合材料在經(jīng)過清洗、重熔、注模壓縮后可以制造成新的復(fù)合材料，重新投入使用。另外，還可以通過在熱塑性樹脂材料中添加溶劑將其溶解，通過沉淀分離出聚合物和纖維，再經(jīng)過過濾提取出其中的纖維材料，進(jìn)行二次使用。針對熱固性復(fù)合材料則可以使用物理法、熱解法以及超臨界流體法等將復(fù)合材料分解、壓碎，從中獲得干凈的碳纖維，并且可以保留其原始的性能，不影響再次使用。復(fù)合材料的回收再利用技術(shù)依然處在探索和發(fā)展的階段，相信在不久的將來會得到更大的進(jìn)步，進(jìn)一步提高碳纖維的回收率和利用率，促進(jìn)航空航天復(fù)合材料綠色化的發(fā)展。

結(jié)束語

航空航天復(fù)合材料綠色化發(fā)展是必然趨勢，是實(shí)現(xiàn)資源高效利用、環(huán)境保護(hù)以及航空航天事業(yè)發(fā)展的前提，需要從材料設(shè)計(jì)、制備工藝與技術(shù)、材料開發(fā)以及回收再利用技術(shù)等方面入手，全面提高航空航天復(fù)合材料綠色化技術(shù)水平，以此帶動航空航天復(fù)合材料的不斷發(fā)展與突破，爭取早日形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)模式，進(jìn)一步提高我國航空航天事業(yè)的發(fā)展高度。

參考文獻(xiàn)

[1]劉永強(qiáng).解析航空航天領(lǐng)域碳纖維復(fù)合材料的實(shí)踐應(yīng)用[J].粘接，2019，40（7）：69-71.

[2]王銘輝.碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2019，40（8）：191-193.

[3]彭濟(jì)華.不同樹脂體系復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J].當(dāng)代化工研究，2019（2）：138-140.

[4]蔡菊生.先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J].合成材料老化與應(yīng)用，2019，47（6）：94-97.