趙振寧，王輝，虎琳

（西安航天復合材料研究所，西安 710025）

1 復合材料概述及發(fā)展現(xiàn)狀

裝備研制，材料先行。隨著當代技術(shù)的不斷突破與發(fā)展，單一的材料性能已經(jīng)不能滿足使用需求，復合化成為材料基礎研究的突破口。復合材料是指由金屬、高分子、無機非等幾類材料以不同方式復合而得的新型材料，各組分之間相互補充又關聯(lián)協(xié)同，具有單一材料無可比擬的優(yōu)勢[1,2]。在航空航天領域中，惡劣的工作環(huán)境意味著需要性能更具優(yōu)勢的先進復合材料，將先進復合材料應用于航空航天領域，可以實現(xiàn)[3-5]：(1)裝備大幅度減重?？稍黾佑行лd荷、降低能耗；(2)優(yōu)異的力學性能；(3)具備在高低溫環(huán)境下以及腐蝕性介質(zhì)中的尺寸穩(wěn)定性；(4)材料結(jié)構(gòu)可設計，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化；(5)可滿足不同的性能需求，如電磁屏蔽、熱燒蝕防護等。

航空飛行器長期的發(fā)展目標是：輕量化、高可靠性、長壽命、高效能。先進復合材料可滿足航空領域?qū)Σ牧系男枨?，它的用量也逐漸成為飛機先進性的重要標志[6]。航天領域中，以高性能碳纖維復合材料為代表的先進復合材料作為結(jié)構(gòu)、功能或結(jié)構(gòu)/功能一體化構(gòu)件材料，在導彈、運載火箭和衛(wèi)星等飛行器上發(fā)揮著不可替代的作用[7,8]，其應用水平和規(guī)模已關系到武器裝備的跨越式提升和型號導彈研制的成敗。先進復合材料的發(fā)展推動了航天整體技術(shù)的發(fā)展，主要應用于導彈彈頭、彈體箭身和發(fā)動機殼體的結(jié)構(gòu)部件和衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)承力件上。

2 先進復合材料類型研究熱點

2.1 結(jié)構(gòu)類型研究

2.1.1 點陣復合材料

點陣結(jié)構(gòu)是模擬微觀分子點陣構(gòu)型的一種超輕的有序結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)得到應用的類似結(jié)構(gòu)有層合板、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，這些都屬于典型的層壓復合材料結(jié)構(gòu)（圖1a），它們存在一個明顯的缺陷，即芯材與面板之間的結(jié)合力弱導致抗剪切能力不足。改善這一缺點的方法有增加面板厚度或使用性能更高的粘結(jié)劑[9]，但并不能從根本解決問題。一種三維的點陣結(jié)構(gòu)（圖1b）應運而生[10]。

圖1 兩種典型的復合材料結(jié)構(gòu)Fig. 1 Two typical composite structures

點陣材料的結(jié)構(gòu)及功能特點有[11,12]：（1）具有超高孔隙率，滿足飛行器逐漸輕量化的需求；（2）特定的桿系結(jié)構(gòu)會賦予其高比強度、高比剛度、高韌性等優(yōu)越的機械性能；（3）三維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)賦予產(chǎn)品吸聲、減震、散熱、電磁屏蔽等優(yōu)異性能，之間的空隙還能夠充填功能性器件，如電池、油料等，實現(xiàn)了兼功能與結(jié)構(gòu)于一體。常見衛(wèi)星熱管的鋪設通常需要一塊基板用來起承載作用，增加了衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)冗余。點陣復合材料具有90%的孔隙比，大的空穴為熱管提供了鋪設空間。與傳統(tǒng)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)方式相比，免去了在結(jié)構(gòu)層開槽布管，既保持了結(jié)構(gòu)完整性，又因工藝步驟的減少降低了研究和加工難度，使成本下降。將點陣結(jié)構(gòu)應用于空間太陽能電池板，使能量轉(zhuǎn)化效率提高了80～115W/kg[13]。

2.1.2 先進格柵復合材料

復合材料格柵結(jié)構(gòu)是為航空航天領域開發(fā)的一種新型結(jié)構(gòu)，其制備過程如圖2所示。前蘇聯(lián)在1981～1985年啟動類似研究，他們先將纖維纏繞成格柵，再在格柵之上纏繞蒙皮，制備得到火箭級間段。研究者發(fā)現(xiàn)，復合材料作為加強肋具有鋁合金無可比擬的優(yōu)點[14,15]：第一，它提高了材料的比強度、比模量、抗腐蝕性能；第二，纖維的使用使得材料整體呈各向異性，更有利于根據(jù)受力方式進行材料的結(jié)構(gòu)設計；第三，CFRP可以采用自動化成型，降低成本的同時提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，被稱為先進復合材料格柵結(jié)構(gòu)（AGS）。

圖2 復合材料格柵結(jié)構(gòu)制備過程[19]Fig. 2 Fabrication process of the composite grid structure[19]

目前，AGS已經(jīng)在俄羅斯重型火箭Proton-M中廣泛應用。未來將會成為航空航天領域主要的結(jié)構(gòu)材料。研究表明[16-19]：

（1）格柵結(jié)構(gòu)的理論設計已經(jīng)趨于成熟。能夠根據(jù)強度理論對大型結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并成功應用。但格柵失效機理研究僅涉及到剛度破壞，對于整體結(jié)構(gòu)的損傷研究還不夠深入，導致無法進行針對性設計。

（2）格柵結(jié)構(gòu)已滿足實際應用需求。制備工藝逐步完善，已成功應用至航空航天領域的大型圓柱形構(gòu)件。但由于工藝較為復雜，導致成型質(zhì)量不高。

因此，研究者們需要對復合材料格柵結(jié)構(gòu)強度失效理論進行深入研究，逐步完善制備工藝，以期能在航空航天領域發(fā)揮更大的作用。

2.1.3 納米復合材料

納米復合材料是指至少在一維上使用納米級尺寸（1～100nm）的材料作為增強材料與基體復合而成的復合材料。材料設計與微觀結(jié)構(gòu)控制深入到納米尺度后，將會大幅提升材料的性能和功能。它的獨特之處在于[20]：高的比表面積和極佳的界面、材料缺陷少、低體積分數(shù)等。增強類型包括顆粒增強、片層增強、纖維增強、碳納米管增強等。納米復合材料極優(yōu)的力學和機械性能使其作為航空航天領域優(yōu)異的增強材料，成為先進復合材料研究的熱點之一。

納米材料自身優(yōu)勢可以改善不同類型基體的各種性能，如面內(nèi)強度和剛度、斷裂韌性、熱穩(wěn)定性等。不同的納米增強體還可以賦予基體多種功能，如導電、導熱、電磁屏蔽等。納米復合材料應用前景雖好，但在實際應用過程中存在很多問題[21-23]。制約納米復合材料發(fā)展的原因有以下幾點：

（1）難以均勻分散。在彌散法制備納米復合材料過程中，納米材料通過超聲波、攪拌、壓光或其他機械技術(shù)直接分散在不同類型的基質(zhì)中。分散過程中，受范德華力的影響，分子極易發(fā)生團聚，導致分散不均勻。在制備納米片層復合材料時，難以剝離得到完整的片層，從而影響性能。

（2）難以定向排列。納米管等二維材料的引入常用來增強特定方向的性能，這就需要在制備過程中對納米材料進行定向排列。納米尺度的微觀排列難以精確控制，從而削弱增強效果。

（3）制備成本高。納米材料本身的制備成本、與基體復合的成本均具有很高的工藝性，導致總體成本增高，限制了納米復合材料的發(fā)展。

2.2 功能類型研究

2.2.1 熱防護功能復合材料

航空發(fā)動機要求熱端關鍵部件在1400℃以上的高溫和復雜載荷下長期使用。返回式航天飛行器在大氣層中會受到高速氣流沖刷，火箭發(fā)動機噴管喉襯可瞬間達到3000℃的高溫。因此，高性能飛行器除了對發(fā)動機性能和效率的要求之外，熱防護手段的可靠性尤為重要。熱防護功能材料按作用原理主要分為：①被動熱防護系統(tǒng)，包括熱結(jié)構(gòu)、隔熱結(jié)構(gòu)等；②半主動熱防護系統(tǒng)，包括燒蝕結(jié)構(gòu)等；③主動熱防護系統(tǒng)，包括發(fā)汗冷卻、對流冷卻等。目前已開發(fā)使用的熱防護功能材料包括碳/碳（C/C）復合材料、陶瓷隔熱復合材料、酚醛樹脂基復合材料等[24]。

（1）C/C復合材料

C/C復合材料可在高于1650℃條件下應用，成為新一代超高溫材料的熱點。它是在一定的氣氛下，將具有一定流動性的氣態(tài)或液態(tài)的含碳前驅(qū)體（碳源）充填碳纖維預制體孔隙，在高溫或高壓作用下轉(zhuǎn)化而來的。主要制備方法包括液相浸漬法和化學氣相滲透（CVI）法。液相浸漬獲得的碳基體硬度高，耐腐蝕性好，但密度較低、孔隙率較大。近年來，研究者們還開發(fā)了定向氣流熱梯度TG-CVI法、3D打印結(jié)合CVI法等，對傳統(tǒng)制備方法進行了改進與創(chuàng)新[25,26]。

C/C復合材料密度小、抗燒蝕性能優(yōu)良、摩擦磨損性能極佳、熱物理性能優(yōu)異。在服役過程中，力學性能不降反增的特點使它在航空航天領域具有很廣闊的應用前景。C/C復合材料因其高輻射率使其成為一種優(yōu)異的升華型燒蝕防熱材料，在升華前有強烈的輻射散熱作用，已廣泛應用于航空航天領域的熱防護材料，如應用于美國航天飛機機頭錐和機翼前緣上，可在1650℃高溫下使用的薄殼型碳纖維增強C/C復合材料 (RCC)。另外，C/C復合材料還應用于飛機制動部件、導彈鼻錐、固體火箭發(fā)動機噴管及喉襯等關鍵部件[27]。

（2）陶瓷隔熱復合材料

傳統(tǒng)陶瓷基復合材料因優(yōu)異的力學性能（強度高、斷裂韌性高）、熱學性能（低熱膨脹、耐高溫）、電性能（低介電常數(shù)、低介電損耗）成為導彈天線罩的首選材料。陶瓷基復合材料常用的增強材料有碳化硅(SiC)、碳化鈦(TiC)和碳化硼(B4C)、氮化硅(Si3N4)和氮化硼(BN)、氧化鋁(Al2O3)和氧化鋯(ZrO2)等。其中SiC陶瓷基復合材料具有低密度、耐高溫、耐燒蝕和抗氧化等優(yōu)異性能。高級別的碳化硅在1800℃仍可正常工作，且密度僅為高溫合金的1/3，已應用至導彈再入鼻錐、機翼前緣等防熱結(jié)構(gòu)材料[28]。

將陶瓷隔熱瓦應用于航天飛機表面熱防護，可獲得優(yōu)異的抗燒蝕沖刷性能，但陶瓷材料韌性差，需對其進行增韌改性處理。TUFROC(Toughened Uni-piece Fibrous Reinforced Oxidation-Resistant Composite, 增韌型單片纖維增強抗氧化復合材料)，屬于一種先進非燒蝕隔熱材料，用于波音承制的軌道飛行器X-37B上，并將用于追夢者小型航天飛機上（見圖3）。TOFROC作為一種先進陶瓷隔熱瓦，解決了早期航天飛機使用RCC材料在耐溫性能、強韌化性能和制備尺寸等方面的缺陷，基本突破了航天飛機的薄弱環(huán)節(jié)，不僅能夠承受航天器再入大氣層時產(chǎn)生的高溫，還解決了材料在高溫作用下的熱裂和抗氧化等瓶頸問題[29]。

圖3 左圖為噴槍試驗六角形TOFROC隔熱瓦右圖為返回地面的X-37BFig.3 The picture left shows the hexagonal TOFROC insulation tile tested by spray gun The picture right shows X-37B returning to the ground

TOFROC具有三個優(yōu)異的特點：一是能耐1700℃的高溫，且材料可重復使用；二是密度低，僅為0.4g/cm3，滿足航天結(jié)構(gòu)件高性能輕量化的要求；三是制造周期短、成本低。TOFROC作為世界唯一可重復使用的低成本熱防護系統(tǒng)，使其成為高性能航天飛行器熱防護材料的杰出代表。

（3）酚醛樹脂基復合材料

酚醛樹脂除了具有良好的耐熱性、耐燒蝕性能和力學性能之外，原料來源廣、低成本的特點更使其成為航空航天領域廣泛應用的前提。通過對傳統(tǒng)酚醛樹脂進行改性獲得高成碳率樹脂，所開發(fā)出的低密度復合材料已經(jīng)成為航空航天領域熱防護材料研究熱點之一[29]。為提高其燒蝕性能以及降低復合材料密度，鄭天亮等通過添加Al2O3-SiO2空心微球和酚醛微球等多種填料將涂層密度降到0.4～0.6g/cm3。哈工大提出了一種新型超輕質(zhì)“霧凇結(jié)構(gòu)”防熱復合材料，此材料耐燒蝕性能優(yōu)異，經(jīng)燒蝕實驗測得質(zhì)量燒蝕率0.136g/s，線燒蝕率0.058mm/s。表1中顯示了三種不同酚醛樹脂基復合材料的特征參數(shù)。其中，高硅氧/酚醛絕熱材料已應用于牽牛星3AFW-4S偵察兵B運載火箭四級出口錐后段，碳/酚醛絕熱層應用于三叉戟發(fā)動機出口錐內(nèi)襯。

表1 三種常用酚醛樹脂基復合材料的特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of three phenolic resin matrix composites

碳/酚醛復合材料密度低、耐溫性強，且材料導熱性能優(yōu)異，其中，PICA（Phenolic Impregnated Carbon Ablator，酚醛浸漬碳燒蝕材料）是一種典型的通過燒蝕來實現(xiàn)熱防護的材料，密度僅為0.224～0.321g/cm3。燒蝕結(jié)構(gòu)熱防護的工作原理是材料在熱流環(huán)境中，通過自身發(fā)生融化、碳化、升華等一系列物理或化學變化，產(chǎn)生質(zhì)量損失從而帶走大量熱量，避免過高的熱能向結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳遞。酚醛樹脂熱解后小分子氣體逸出形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，與高性能碳纖維相互結(jié)合得到具有一定強度的低密度碳層結(jié)構(gòu)[30]。星塵號返回艙使用PICA作為艙體表面放熱材料，在135km高度再入速度高達12.4km/s，是目前人類再入速度最快的航天器，僅用110s時間飛船速度由36Ma降到亞聲速，返回過程中艙體表面溫度超過2900℃。PICA熱防護滿足飛行器極端環(huán)境下的使用需求，但返回后燒蝕減薄破壞嚴重，無法重復使用。

2.2.2 透波功能復合材料

為滿足航空航天結(jié)構(gòu)件的隱身及強度要求，所選用的透波復合材料需兼顧吸波性能和力學性能，處于高溫環(huán)境下的特殊結(jié)構(gòu)還要滿足耐高溫及抗氧化等要求。目前使用的透波復合材料主要有樹脂基和陶瓷基兩種。常用于耐高溫天線罩的高性能樹脂基體包括有機硅樹脂、聚酰亞胺（PI）樹脂等。有機硅樹脂具有優(yōu)異的耐熱性和穩(wěn)定的介電性能，但其機械強度較差，這一缺陷可以通過在鏈段上引入極性基團或者樹脂改性來克服[31]。PI樹脂介電常數(shù)約為3.4，可在300℃下長期使用，機械強度遠高于有機硅樹脂。但是缺點在于樹脂難固化，且難以成型大尺寸天線罩。聚醚醚酮（PEEK）以及聚四氟乙烯（PTFE）等熱塑性樹脂也開始投入使用。美國麻雀（Ma=4）使用玻纖增強PTFE導彈天線罩。熱塑性樹脂需要在高溫下成型，不適用于大尺寸天線罩的生產(chǎn)。目前3D打印高性能熱塑性樹脂基復合材料正在開發(fā)中[32]。

陶瓷基透波復合材料耐高溫和抗氧化性能極佳，是解決熱端隱身問題的最佳選擇。目前，體系內(nèi)常用的陶瓷材料有SiC、SiCN、SiBCN等，還有使用金屬微粒（Co、Ni）、納米碳材料（碳納米管、石墨烯）來調(diào)控材料的電磁特性，使其達到更好的吸波效果。其中，SiC連續(xù)纖維增強增強陶瓷基復合材料應用最為廣泛。連續(xù)纖維的使用極大地增強了陶瓷韌性，是目前最有效和最安全可靠的增韌方式[33,34]。

3 未來發(fā)展趨勢

飛行器研發(fā)與設計過程中涉及的新概念、新方法和新技術(shù)受限于新材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)的突破。我國空天領域材料研究正處于上升階段，復合材料需求潛力巨大。隨著先進復合材料用量占比越來越高，特別是新一代大飛機、衛(wèi)星、運載火箭對其性能需求逐步提高。發(fā)展優(yōu)勢和精品材料、開發(fā)環(huán)境友好型材料成為航空航天領域亟待解決的技術(shù)難題。當前航空航天復合材料研究需從以下幾點出發(fā)，制定長遠計劃，解決研究中的共性和難點問題，充分調(diào)動國家企業(yè)高校協(xié)同發(fā)展，堅持發(fā)展技術(shù)自主創(chuàng)新，提高我國航空航天技術(shù)水平。

（1）結(jié)構(gòu)/功能一體化。打破傳統(tǒng)材料結(jié)構(gòu)形式，復合材料的結(jié)構(gòu)與功能一體化將使其具有不可比擬的優(yōu)勢。高強度、高模量的優(yōu)異結(jié)構(gòu)特點與隱身、抗彈、電磁屏蔽、高耐熱蝕性等多功能相結(jié)合，大幅提高飛行器性材料利用效率。發(fā)展結(jié)構(gòu)功能一體化材料結(jié)構(gòu)設計與性能表征技術(shù)也成為未來研究熱點。

（2）設計/制造/評價一體化。復合材料本身作為一種多相結(jié)構(gòu)，制造過程中沒有中間體的生成，損傷機制也復雜多樣。不同的復合設計會獲得不同的宏觀性能，從而引發(fā)不同的材料損傷破壞機制。因此獲得一種復合材料，必然要采用全新的設計理念和手段，發(fā)展數(shù)字化、自動化的設計技術(shù)，實現(xiàn)性能定制化，最大程度發(fā)揮材料的潛力。要使評價體系更加完善，則需要通過建模手段掌握材料行為對環(huán)境的響應規(guī)律，獲取材料演變過程中的結(jié)構(gòu)變化和損傷過程。

（3）構(gòu)件低成本化。飛行器全壽命周期的低成本化包括：材料低成本化、設計低成本化、制造低成本化和維護低成本化。打破高性能碳纖維的壟斷局面、開發(fā)低成本制造技術(shù)、發(fā)展自動化工藝、提升復合材料性能穩(wěn)定性均可實現(xiàn)構(gòu)件低成本化。低成本設計制造技術(shù)的研究將成為未來研究熱點。

（4）智能化。開發(fā)智能化材料技術(shù)，使飛行器自感知、自診斷、自修復和自適應智能化技術(shù)，有助于發(fā)展服役狀態(tài)下的復合材料結(jié)構(gòu)變化高精度預報，實時檢測航天器健康狀態(tài)，可實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)主動變形能力、振動平衡控制、性能檢測與材料損傷自修復。對降低工藝成本、提高飛行器飛行速度和服役壽命、拓展材料適用范圍具有重要的意義。

（5）試驗虛擬化。當前的發(fā)展方向是：建立開放的材料數(shù)據(jù)庫、程序庫，積累服役條件下的材料性能表征方法和材料環(huán)境行為數(shù)據(jù)，構(gòu)建材料工藝高可靠認證方法，將復合材料結(jié)構(gòu)設計鑒定方法規(guī)范化、摒棄“試錯法”所帶來的成本及時間浪費，建立仿真為主、試驗為輔的開發(fā)程序。