江洪 彭導琦

復合材料的定義是，物理或化學性質(zhì)明顯不同的2種或2種以上的材料，以協(xié)同作用的方式結(jié)合在一起，但由于它們沒有完全融合或溶解在一起，因此在某種程度上每種材料的化學性質(zhì)保留完整。因為材料之間保持獨立和不同，復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料，這類材料的特性包括：良好的耐腐蝕性、良好的力學性能、長期耐用性、輕量化、高強度和高沖擊強度等。復合材料與一般材料的簡單混合有本質(zhì)的區(qū)別，復合化也成為了新材料的重要發(fā)展方向，復合材料也與金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料并列為4大材料體系之一。復合材料主要組成材料分為基體材料、增強材料和界面相3部分。復合材料通常至少有兩相，連續(xù)相的材料被稱為基體材料，另一相為增強材料（也稱“增強體”），基體材料具有支撐和保護增強材料的作用。根據(jù)基體材料的類型，復合材料大致可以分為金屬基和非金屬基2大類，非金屬基體材料又可分為聚合物基復合材料和陶瓷基復合材料。目前，復合材料被廣泛應用于汽車、醫(yī)學、可再生能源與航空航天等領域。本文主要介紹幾種復合材料在航天領域，特別是空間站中的研究進展和應用情況。

1 復合材料相關(guān)研究進展

1.1 金屬基體復合材料

金屬基復合材料（MMCs）是由作為連續(xù)基體的金屬或合金，與可以是顆粒、短纖維、連續(xù)纖維或晶須為增強材料組成的復合材料。金屬基復合材料除了與樹脂基復合材料同樣具有高強度、高模量外，它還具備良好的綜合力學性能、導熱導電性能、抗輻射性能、耐磨性能、抗疲勞性能、高溫性能以及小熱膨脹系數(shù)等。但是，金屬基復合材料幾乎總是比它們正在取代的更傳統(tǒng)的材料更昂貴。因此，在早期的金屬基復合材料研究發(fā)展和應用中，飛機部件、空間系統(tǒng)、航天器、軍事武器和精品運動設備等高端技術(shù)的需求起到了巨大的推動作用。到目前為止，金屬基復合材料一直是學術(shù)界研究的熱點領域，當前的研究主要集中于新合金新體系的開發(fā)、制備方法的改進、各類性能的表征以及應用探索。

在航空航天應用中，減輕飛行器、航天器的重量至關(guān)重要，因此大部分應用于航空航天領域的金屬基復合材料基本采用的是輕金屬合金。近年來，鋁基復合材料由于其優(yōu)異的比強度、比模量、剛度以及良好的熱性能和耐腐蝕性能，在航空航天結(jié)構(gòu)和熱管理部件中得到了廣泛的應用，特別是空間站太陽能電池結(jié)構(gòu)框架[1]。早期，對于硅鈰鋁（SiCeAl）復合材料的生產(chǎn)，Cui等人[2]建議使用高硅含量的鋁合金，以增強集體界面中碳化鋁（Al4C3）的形成，該化合物被認為是該類復合材料中最有害的反應產(chǎn)物。為了進一步開發(fā)鋁基復合材料作為結(jié)構(gòu)合金的潛力，華中科技大學的Zhang等[3]選擇SiCp/2xx鋁基復合材料板，研究其可焊性，結(jié)果表明激光振蕩路徑顯著影響了SiCp/2xx Al接頭的成形性能和拉伸性能；采用等幅波/連續(xù)波（CW）振蕩方式制備的這一接頭的抗拉強度達到192Mpa。保加利亞科學院的科學家Anna Bouzekova Penkova等人以高強度鋁合金7075為基體，采用金剛石粉末納米粒和鎢納米粒進行增強，研制了一種新型復合材料。他們將得到的復合材料在不同環(huán)境條件下存儲28個月并對其結(jié)構(gòu)變化進行比較，樣品①放置于地球上常溫保存，樣品②置于國際空間站的外部，結(jié)果表明：由于外太空的環(huán)境影響，觀察到的化學和結(jié)構(gòu)成分的變化不能認為對所研究的材料有害[4]。但是目前金屬基復合材料還是面臨著制造成本高和韌性低的問題。

1.2 聚合物基復合材料

聚合物基復合材料（PMCs）由樹脂基復合材料和橡膠基復合材料組成，其中樹脂基復合材料根據(jù)其聚合物基體的結(jié)構(gòu)又分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂。即，聚合物基復合材料可以分為熱固性樹脂、熱塑性樹脂和橡膠3大類。熱固性樹脂在加熱前具有一定的軟化流動性，加熱到一定溫度時向其中加入一定的固化劑，樹脂會發(fā)生固化反應，具有不溶、不熔的特點。因此，熱固性樹脂也具有耐熱性好、剛性高等優(yōu)點。常用的熱固性樹脂包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂等。熱塑性樹脂具有加熱后軟化流動，冷卻后固化的特點，具有良好的抗沖擊性和耐化學腐蝕性。常用的熱塑性樹脂包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和聚碳酸酯等。橡膠包括天然橡膠和合成橡膠2大類，是一種有彈性、不透水、不透空氣的絕緣性材料。意大利航空航天中心的Stefania Cantoni等[5]科學家認為，未來航空航天結(jié)構(gòu)最有希望的解決方案是在設計和類似性質(zhì)的應用中，智能使用聚合物基復合材料，以減少航空航天的空間結(jié)構(gòu)的總體重量，同時保持甚至提高其性能。

Li等研究學者[6]通過對我國航空航天工業(yè)中復合材料制造現(xiàn)狀進行調(diào)查，闡述了先進復合材料制造中存在的問題，并提出了纖維增強聚合物復合材料制造技術(shù)，包括利用補償成形過程中零件變形特性的各向異性復合材料的模具設計和真空壓力微波固化技術(shù)，以保證各向異性復合材料零件在大尺寸和復雜形狀的航天應用中的高精度。美國國家航天局（NASA）約翰遜太空飛行中心的R.C.Romeo等科學家[7]討論了輻射電離及其對復制的碳/聚合物復合材料反射鏡的影響，在國際空間站的MISSE 7A和MISSE 8上對6個復制的碳/聚合物復合材料反射鏡進行材料實驗，結(jié)果表明：在鏡面形貌、反射率和光潔度方面，涂層復合材料鏡面具有較好的光潔度，非涂層復合材料鏡面不具有良好的光潔度。

1.3 陶瓷基復合材料

陶瓷基復合材料（CMCs）是以陶瓷為基體與各位纖維復合的一類復合材料。陶瓷基體可以是玻璃陶瓷、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷，屬于技術(shù)陶瓷。技術(shù)陶瓷是用相對復雜的工藝，由高純度的原料制成，具有較小的顆粒尺寸。其中，航空航天領域最常利用的陶瓷基體當屬多晶材料和玻璃陶瓷。陶瓷基復合材料的設計是為了克服單片陶瓷的主要缺點，即脆性。因此它們被稱為逆復合材料，即基體的破壞應變低于纖維的破壞應變。陶瓷基復合材料提高了傳統(tǒng)陶瓷材料的抗拉強度和韌性，同時又保持了其輕質(zhì)、高強度、耐腐蝕、耐磨性和熱穩(wěn)定性[1]。基于陶瓷基復合材料的基本特性，它被廣泛應用于航天器（如航天飛機軌道飛行器）的防熱罩、火箭發(fā)動機和導彈等。

美國國家科學研究院曾于2003年提出：到2020年，陶瓷基復合材料的密度、剛度、強度、韌性和高溫能力都可能有20%～25%的提升，將其列為最優(yōu)先研究的材料。它也被美國國防部列為重點發(fā)展的20項關(guān)鍵技術(shù)之首。Yang等[8]對陶瓷基復合材料的疲勞損傷模型進行總結(jié)，并提出一種新的疲勞損傷模型，用以表征二維編織氧化物/氧化物—陶瓷基復合材料疲勞損傷的演變過程。Lamon等[9]人對陶瓷、纖維的蠕變行為進行研究，重點論述并研究了陶瓷基復合材料的蠕變和斷裂行為，陶瓷基復合材料微觀結(jié)構(gòu)-性能之間關(guān)系，以及影響蠕變和斷裂行為的因素。而在陶瓷基復合材料中，連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料（CMC/SiC）是研究最多、應用最成功的一種。日本、美國、法國和德國等國家都在相對早的時間研制出CMC/SiC復合材料，以代替高密度的金屬鈮作為衛(wèi)星用姿控、軌控液體火箭發(fā)動機的燃燒室噴管，例如Hyper—Therm公司制造的CMC/ SiC復合材料燃燒室、法國SEP研制的CMC/SiC復合材料和德國EADS公司研制的10、20及400N等CMC/SiC陶瓷基復合材料推力室[10-12]。

2 復合材料相關(guān)應用研究和進展情況

空間站的地球軌道高度一般在240～450km，處于微重力、真高空和溫度交變的空間環(huán)境，這一環(huán)境的特點主要在于大幅度的溫差、近真空的環(huán)境、強太陽電磁波和宇宙射線以及原子氧等，同時存在微流星和空間碎片[13]。根據(jù)目前復合材料所展現(xiàn)出的良好功能特性，并結(jié)合航天器，尤其是空間站面臨的客觀環(huán)境的特點對航天材料的性能和功能提出的需求，將目前針對復合材料應用的研究按功能導向進行分類，大致可以分為材料及結(jié)構(gòu)的減重向、防熱與熱控制向、耐原子氧向、提供可持續(xù)的能源向、防碎片擊穿向等。

2.1 材料及結(jié)構(gòu)的減重向

在性能滿足工程要求的前提下，希望采用的材料具有較輕的質(zhì)量，進而可以很大程度上減低航天發(fā)射任務的費用，而復合材料往往能夠很好地滿足高性能與輕量化的要求，因此輕量化、高強度復合材料是航空航天技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前總體來看，歐美國家對復合材料利用更為成熟和全面，其航天領域復合材料應用可以達到減重25%以上。例如，連續(xù)光纖金屬基復合材料的一個應用之一是哈勃太空望遠鏡的高增益天線吊桿，該吊桿長3.6m，是一種輕型結(jié)構(gòu)，動臂由6061鋁制成，并由連續(xù)碳纖維增強，與以前基于整體鋁或碳—環(huán)氧復合材料的設計相比，該材料可減輕30%的質(zhì)量[14]。石墨/環(huán)氧復合材料包覆壓力容器因其質(zhì)量輕、效率高而被考慮用于自由空間站，這些復合壓力容器的質(zhì)量大約是同類全金屬鋁壓力容器的1/3。G.B.Northam等人[15]發(fā)明了用于航空航天的往復式內(nèi)燃機，包括由碳—碳復合材料制造的活塞、具有活塞的氣缸和活塞環(huán)，有效地減輕了內(nèi)燃發(fā)動機的質(zhì)量。目前，這項專利受讓于NASA。混合鋼復合齒輪，將鋼齒與纖維增強聚合物復合材料核心結(jié)合在一起，是航空航天動力傳動系統(tǒng)中迅速興起的一種減重技術(shù)。M.D.Waller等人[16]制造了復合材料，包含新開發(fā)的具有多種碳纖維等級的混合層壓板，采用機械和熱測試以及層級有限元分析來評估這些復合材料在混合航空航天齒輪應用中的適用性，特別關(guān)注高溫環(huán)氧樹脂和雙馬來酰亞胺樹脂以及由多種等級的碳纖維增強的混合層壓板，這種技術(shù)能在不影響齒輪性能的情況下顯著減輕質(zhì)量。

2.2 防熱與熱控制向

在執(zhí)行航天任務時，航天器可能面臨著極端高溫或極端低溫的環(huán)境，這就要求航天器需要具有較好的熱防護和熱控制能力，既包括被動防熱，也包括主動熱控制。良好的防熱特性和熱控制性能對航天器材料提出相應要求。在飛機和航空航天工程中，使用玻璃和陶瓷來解決整個復雜的材料科學問題主要是因為與聚合物和耐熱鎳合金相比，前者具有更高的耐熱性，此類材料包括現(xiàn)代碳玻璃陶瓷復合材料、玻璃陶瓷、反應固化和氧熱涂層，St.S.Solntsev[17]提供了豐富且經(jīng)過證實的證據(jù)，表明航空航天技術(shù)的發(fā)展如何取決于上述類高強度高溫材料的可用性。另外，Lee[18]研究將碳纖維聚合物基復合材料的熱響應考慮到航空航天電子器件熱設計中，這種先進復合材料由連續(xù)高模量瀝青基纖維和環(huán)氧樹脂組成，通過熱物理分析對上述這種先進的復合材料與傳統(tǒng)的航天復合材料進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在復合材料基體中添加20%的氮化硼導電填料后，其導熱系數(shù)在厚度方向上顯著增加；碳纖維復合材料縱向?qū)嵯禂?shù)為239W/（m·K），橫向?qū)嵯禂?shù)為1.32W/（m·K），這些數(shù)值足以滿足熱管板面板的設計要求，可以有效地應用于航天器上的熱管板的結(jié)構(gòu)應用。除復合材料本身外，復合材料成型工藝技術(shù)也會對航空航天復合材料的熱物理性能產(chǎn)生影響，G.Casula和F.Lenzi等科學家[19]分析了2種不同的工藝技術(shù)：壓縮成型工藝和“熱氣體輔助”纖維放置工藝對具有熱塑性基體（PEEK/IM7、TPI/IM7和PPS/ IM7）的航空航天復合材料的熱物理性能的影響。

2.3 耐原子氧向

原子氧是指低地球軌道（通常認為是200～700km高度）上以原子態(tài)氧存在的殘余氣體環(huán)境，是太陽光中紫外光線與氧分子相互作用并使其分解而形成的。大量空間飛行實驗及地面模擬試驗的結(jié)果表明，原子氧對航天器表面的高溫氧化、高速撞擊會侵蝕大部分有機材料，從而使航天器性能下降、壽命縮短。原子氧效應也被認為是低地球軌道下環(huán)境效應中最為嚴苛的。為應對原子氧效應，目前作為熱控涂層材料廣泛應用于航天器表面的有苯基硅橡膠材料、納米黏土/環(huán)氧樹脂和碳纖維/氰酸酯等樹脂基復合材料?？茖W家們也還在研究探索是否有更高性能、高強高模、低成本的復合材料，以應對原子氧效應。Yagnamurthy和Chen等人[20]研究了紫外輻射和原子氧在國際空間站近地軌道空間下對Epon 862基環(huán)氧復合材料的侵蝕作用，在原子氧和紫外輻射條件下，發(fā)現(xiàn)在納米復合材料中加入12nm與100nm的二氧化硅顆粒5%（質(zhì)量分數(shù)）后，環(huán)氧樹脂的侵蝕率從4.36×10-24cm3/atom降到了1.78×10-25cm3/atom，抗原子氧和紫外輻射的綜合能力提高了約90%。Zhang和Yi等人[21]采用等離子體原子氧地面模擬設備產(chǎn)生了原子氧環(huán)境，并研究了環(huán)氧樹脂材料與摻雜石墨烯的環(huán)氧樹脂復合材料的原子氧效應，結(jié)果表明摻雜了0.5%（質(zhì)量分數(shù)）的石墨烯后，環(huán)氧樹脂復合材料的質(zhì)量損失與純環(huán)氧樹脂降低了46%，原子氧腐蝕率降低了47%。

2.4 提供可持續(xù)的能源向

基于深空探測的長周期和極端的太空環(huán)境，需要開發(fā)新型高費效比能原材料，以保證深空任務不因為能源不足而中斷工作。例如，六水合溴化鍶（SrBr2·6H2O）就是一種很有前途的空間加熱熱化學儲能材料。Ding和Xu等[22]學者研究采用浸漬法制備了4種SrBr2/膨脹蛭石復合材料（SrBr2/ EVMs），通過掃描電鏡（SEM）和X射線能譜分析（EDX）對復合材料的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)特征進行了表征，并用熱重分析和差示掃描量熱法測試了復合材料的動態(tài)解吸行為，結(jié)果表明，SrBr2/EVM復合材料的承載能力隨SrBr2溶液濃度的增加呈線性增加，具有更高的吸水量，更好的吸附性能和較好的脫附性能，這對SrBr2·6H2O熱化學蓄能系統(tǒng)的設計和運行具有一定的指導意義。Cui和Guo等人[23]利用特殊的制備方法，采用泡沫金屬骨架材料和含量為60%～95%（質(zhì)量分數(shù)）的高溫固液相變蓄熱材料制成泡沫金屬基高溫相變蓄熱復合材料，用于空間站太陽能發(fā)電系統(tǒng)及高溫余熱回收。

2.5 防碎片擊穿向

空間碎片對航天器的危害是非常嚴重的，航天器隨時都面臨著微流星體和軌道碎片的超高速撞擊，因此需要利用防護結(jié)構(gòu)提高大型航天器——特別是載人航天器的空間碎片撞擊防護能力。而復合材料在航天器防護系統(tǒng)設計中占有重要地位。一個例子是現(xiàn)在部署在國家空間站上的鋁—耐斯特爾—凱夫拉爾防護罩（Aluminum—Nextel—Keviar orbital debris shields），杜邦公司于1972年推出凱夫拉芳綸纖維，Nextel的編織布（由3M公司制造）是由氧化鋁制成的，這是一種陶瓷材料，當用作復合裝甲系統(tǒng)的組件時，可以提供有效的沖擊保護，這些材料用于設計部署在國際空間站某些模塊上的多板軌道碎片屏蔽裝置[24]。有中國的科學家利用五屏芳綸/環(huán)氧復合材料制成的柔性防護屏構(gòu)成的空間碎片柔性防護結(jié)構(gòu)進行了超高速撞擊試驗和撞擊損傷測試分析，試驗得出，五屏芳綸/環(huán)氧復合材料結(jié)構(gòu)能夠防住鋁合金彈丸的超高速撞擊[25]。D.A.Thomas[26]評估了空間站自由壓力容器用石墨/環(huán)氧復合材料的長壽命評估，根據(jù)計算，石墨/環(huán)氧復合材料在50%的極限破壞強度的持續(xù)載荷下，在30年的壓力破裂中幸存的概率為99.99%。Kim和Choi等科學家[27]，通過22個純織物層保險杠試驗，考察了直接固化碳、Zylon和Twaron復合材料作為超高速沖擊防護前保險杠的適用性，結(jié)果表明，直接固化碳復合材料可以比純織物層更有效地作為超高速屏蔽的緩沖器。

3 結(jié)語

結(jié)構(gòu)的先進性是新型航空航天器的先進性標志之一，先進復合材料是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)先進性的重要物質(zhì)基礎和先導技術(shù)[28]。因此，復合材料的應用是目前評價航空航天器制造水平的重要標準。就應用領域而言，復合材料在航天領域的應用水平，落后于其在航空領域的應用水平。就不同區(qū)域而言，復合材料在國內(nèi)的整體應用水平落后于其在國外的整體應用水平。例如世界上大型飛機的結(jié)構(gòu)件中，復合材料的用量占到了40%～50%，先進直升機結(jié)構(gòu)件復合材料用量甚至占到了80%以上，而空間站、人造地球衛(wèi)星和探測器等航天器對復合材料的用量遠遠低于以上數(shù)字；而我國航空航天領域復合材料的應用總體水平，與國外相比仍有較大差距。但總體而言，我國先進復合材料工業(yè)已經(jīng)發(fā)展為了一個成熟的體系。復合材料智能化研究，復合材料多功能化研究，質(zhì)量輕、性能高復合材料研究仍是目前主要的研究方向。此外，復合材料制備技術(shù)（例如3D打印技術(shù)），復合材料性能無損檢測技術(shù)等方向也是研究的熱門所在。就復合材料的類型而言，碳纖維高性能復合材料依然是復合材料研究與應用的重點。

未來，我國應借鑒國外的相關(guān)經(jīng)驗，例如加強對復合材料結(jié)構(gòu)、制造技術(shù)、生產(chǎn)工藝等方面的研究，進一步提高我國航空航天領域科技水平和制造水平。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.01.002

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