复合材料在航天航空领域的成功应用7篇复合材料在航天航空领域的成功应用 第源卷摇第猿期圆园员员年远月摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇中国光学摇摇摇摇摇摇摇悦澡蚤灶藻泽藻韵责贼蚤糟泽摇摇摇摇灾燥造援源摇晕燥援猿摇下面是小编为大家整理的复合材料在航天航空领域的成功应用7篇,供大家参考。
员摇引 摇言摇摇随着科技的发展和进步以及各国对空间光学遥感器的进一步需求袁 空间遥感器必然向高分辨率尧长焦距尧大口 径尧大视场尧大体积而质量更轻的方向发展咱员暂袁 然而袁 发展质量更轻的空间光学遥感器袁必须采用性能优异的轻质结构材料袁碳纤维复合材料渊 悦云砸孕冤 的应用是实现这一要求的最好途径之一遥悦云砸孕 是以树脂为基体袁 碳纤维为增强体的复合材料咱圆暂遥 碳纤维具有碳材料的固有本征特性袁又有纺织纤维的柔软可加工性袁是新一代军民两用的增强纤维遥 它优异的综合性能是任何单一材料无法与其比拟的袁 现在已经成为先进复合材料的主要增强纤维之一遥悦云砸孕 是 圆园 世纪 远园 年代中期崛起的一种新型结构 材 料袁 一 经 问 世 就 显 示 了 强 大的 生 命力咱猿袁源暂遥 当今袁 在众多的先进复合材料中袁 悦云砸孕在技术成熟度与应用范围方面的表现尤为突出袁它所具有的高比强度和比模量尧性能可设计和易于整体成形等诸多优点袁 可以满足航天结构高结构效率的要求袁 易于得到尺寸稳定的结构遥 自 从悦云砸孕 被广泛应用于军事尧民用各个领域袁 尤其是航空航天领域后袁 其所展现出的优异特性使它已经成为一种不可或缺袁 同时又不可多得的多功能的特种工程材料遥 现在袁 悦云砸孕 已经与铝合金尧钛合金尧合金钢一起成为航空尧航天领域的四大结构材料咱缘暂遥圆摇碳纤维的分类和力学性能摇摇按照原丝种类袁碳纤维的原丝主要有 孕粤晕 原丝尧沥青纤维和粘胶丝遥 由这三大类原丝生产出的碳纤维分别叫做 孕粤晕 基碳纤维尧沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维遥 其中袁 孕粤晕 基碳纤维占据主流地位袁产量占碳纤维总量的 怨园豫 以上袁 粘胶基碳纤维还不足 员豫 遥航天用碳纤维的应用以高强尧中模为主袁高模也有少量应用遥 在各大碳纤维生产厂中袁 日 本东丽公司咱远暂的品种较多袁 性能较好遥 表 员 为其产品的力学性能遥表 员摇 碳纤维性能栽葬遭援 员摇 孕则燥责藻则贼蚤藻泽 燥枣 糟葬则遭燥灶 枣蚤遭藻则泽纤维牌号每束纤维根数抗拉强度 辕酝孕葬 抗拉模量辕郧孕葬伸长率辕豫线密度辕渊 早窑 噪皂原 员冤 密度 辕渊 早窑 糟皂原 猿冤栽猿园园员 园园园猿 缘猿园圆猿园员援 缘远远员援 苑远栽猿园园允猿 园园园源 圆员园圆猿园员援 愿员怨愿员援 苑愿栽源园园匀猿 园园园源 源员园圆缘园员援 愿员怨愿员援 愿栽苑园园杂员圆 园园园源 怨园园圆猿园圆援 员圆园园员援 愿栽员园园园郧员圆 园园园远 猿苑园圆怨源圆援 圆源愿缘员援 愿酝猿缘允远 园园园源 苑园园猿源猿员援 员圆圆缘员援 苑远酝源园允远 园园园源 源员园猿苑苑员援 圆圆圆缘员援 苑苑酝源远允远 园园园源 圆员园源猿远员援 园圆圆猿员援 愿源酝缘园允远 园园园源 员圆园源苑缘园援 愿圆员远员援 愿愿酝缘缘允远 园园园源 园圆园缘源园园援 愿圆员愿员援 怨员酝远园允猿 园园园猿 怨圆园圆怨源员援 猿员园园员援 怨源酝猿园员 园园园猿 怨圆园圆怨源员援 猿缘远员援 苑酝猿园杂员愿 园园园缘 源怨园圆怨源员援 怨苑源缘员援 苑猿酝猿园郧员愿 园园园缘 员园园圆怨源员援 苑苑源缘员援 苑猿酝源园员 园园园圆 苑源园猿怨圆园援 苑远员员援 愿员酝缘园员 园园园圆 源缘园源怨园园援 缘远园员援 怨员圆园圆摇摇摇摇中国光学摇摇摇 摇摇摇第 源 卷摇
猿摇悦云砸孕 的特性摇摇悦云砸孕 属于各向异性材料袁 与金属材料相比袁材料本身及其结构上都有其独特的特点院渊员冤 密度小咱苑暂遥 悦云砸孕 的密度与镁和铍基本相当袁是其他几种金属材料密度的 园郾 圆园 耀 园郾 缘苑 倍渊 按碳纤维 酝源园允月 计算冤 袁 一般来讲袁 采用 悦云砸孕作为结构件材料可使结构质量减轻 猿园豫 耀 源园豫 遥渊圆冤 比强度尧比模量高咱愿暂遥 用比强度渊 材料的拉伸强度与密度之比冤 和比模量渊 弹性模量与密度之比冤 的比较袁很好地说明了 悦云砸孕 在轻质高强方面的优越性遥 悦云砸孕 的轻质高强性能最为显著袁其比强度比钢高 缘 倍袁 比铝合金高 源 倍曰 比模量则是其它结构材料的 员郾 猿 耀员圆郾 猿 倍遥 若将这种性能优越的材料用在空间遥感器的结构构件中袁必然会有助于解决许多传统材料无法解决的难题遥渊猿冤 设计上的先进性咱怨暂遥 碳纤维增强复合材料是一种各向异性材料袁表现出显著的各向异性袁在沿纤维轴方向和垂直于纤维轴方向的电尧磁尧导热尧比热尧热膨胀系数以及力学性能等袁 都有明显的差别遥 悦云砸孕 的各向异性给设计带来较多的可选择性遥 悦云砸孕 的铺层取向可以在很宽的范围进行调整袁由于铺层的各向异性特征袁可通过选择合适的铺层方向和层数来满足强度尧刚度和各种特殊要求袁以获得满足使用要求尧具有最佳性能质量比的复合材料结构袁 这为结构的优化设计开阔了巨大的发展空间袁是各向同性材料所无法比拟的遥渊源冤 良好的抗疲劳特性遥 疲劳破坏是指材料在大小和方向随时间发生周期性变化的载荷渊 即交变载荷冤 作用下袁 产生裂纹和断裂的现象遥 在悦云砸孕 中存在着许许多多的碳纤维和树脂基体界面袁这些大量的界面能够阻止裂纹的扩展袁延迟疲劳破坏的发生遥 复合材料比金属材料的耐疲劳性能高很多遥 通常情况下金属材料疲劳强度极限为拉伸强度的 源园豫 耀缘园豫 袁 而碳纤维增强聚合物基复合材料的疲劳极限可以达到拉伸强度的苑园豫 耀愿园豫 袁说明在长期交变载荷条件下工作时复合材料构件的寿命高于传统材料构件遥渊缘冤 抗振性能好遥 受力结构的固有频率除和结构几何形状和尺寸有关外袁 还和材料的比模量平方根成正比遥 根据特点渊圆冤 中对于比模量的分析可知袁悦云砸孕 具有较高的固有频率袁 同时复合材料基体纤维界面有较大的吸收振动能量的能力袁因而材料的阻尼较高袁 这些特性都有利于提高复合材料结构的抗振性能遥渊远冤 高温性能好遥 铝合金在温度 源园园 益 时袁其弹性模量几乎下降到零袁 强度也显著下降遥 碳纤维鄄铝合金复合材料在 源园园 益 高温下袁 强度和弹性模量基本无变化遥 有的 悦云砸孕 具有很好的烧蚀性能遥 弹头和再入飞船可借助表面烧蚀材料保护自 身并保持其内部温度正常遥渊苑冤 破损 安 全性高遥 从力 学 的 角 度 来 看袁悦云砸孕 内部存在着的大量界面以及碳纤维本身承载的特点袁使其成为典型的超静定体系遥 研究表明复合材料的破坏需经历基体损伤尧开裂尧界面脱粘尧纤维断裂等一系列过程袁 使用过程中袁 碳纤维复合材料构件即使过载而造成少量纤维断裂袁 其载荷也会通过基体的传递分散到其它完好的纤维上去袁使整个构件不会在短时期内丧失承载能力袁表现出较高的结构破损安全性遥渊愿冤 易于大面积整体成形遥 由于 悦云砸孕 的树脂基体是高分子材料袁 虽然在 悦云砸孕 的成形过程中袁对其进行理论分析和机理预测比较困难袁但是对于批量生产 而言袁 当 工艺 流 程文件确 定 后袁悦云砸孕 构件的制作比较简单遥 许多方法可被用于悦云砸孕 构件的成形袁其中包括整体共固化成形袁 这种成形技术大大减少了零件和紧固件的数量袁 简化了生产工序袁缩短了生产周期遥 例如袁美国洛克希德窑 马丁公司试制的 允杂云 战斗机的复合材料垂直安定面袁复合材料的零件数目减少到 员 个袁原先众多的钣金铆接件被取代袁 取消了 员 园园园 多个机械紧固件袁 既简化了工序袁 又节省了工时袁 使装配协调问题更简单袁 制造成本减少了 远园豫 遥 此外袁树脂基复合材料构件可采用拉拔尧注射尧缠绕尧铺放技术进行袁并容易实现成形自 动化遥减轻结构重量对空间光学遥感器等航天仪器具有特殊重要的意义咱员园袁员员暂遥 悦云砸孕 所具有的上述优异特性袁若应用于航天结构袁可比常规的金属结构减重 猿园豫 左右袁对减轻质量和可设计性而言是最具发展和应用潜力 的先进材料遥 目 前袁 悦云砸孕猿园圆第 猿 期摇摇摇摇摇摇摇李摇威袁等院碳纤维复合材料在航天领域的应用
已经被广泛应用在国内外航天领域中咱员圆暂遥 人们甚至将 悦云砸孕 在航天结构上应用的规模视为衡量航天结构先进性的重要标志之一遥源摇悦云砸孕 在国外航天领域的应用摇摇悦云砸孕 在国外航天领域的应用主要体现在卫星结构尧运载火箭尧精密支撑结构件及光学镜体源 大方面遥源援 员摇 在卫星结构上的应用渊员冤 卫星本体结构由于 悦云砸孕 具有较高的比强度尧较大的比刚度和良好的抗疲劳性能等特性袁 适于用来制造卫星本体的结构遥 悦云砸孕 在卫星本体上的应用主要包括卫星外壳尧中心承力筒和各种仪器安装结构板等遥在法国电信一号通信卫星咱怨暂本体结构中袁 带有 源 条环形加强筋的中心承力筒是由 悦云砸孕 制成的袁它通过螺接连接在由 悦云砸孕 制成的仪器平台上遥 卫星 的 蒙 皮 是 由 栽猿园园 悦云砸孕 制 成遥 由 于悦云砸孕 的比模量高袁 在日 本 允耘砸杂鄄员 地球资源卫星壳体内部的 准缘园园 皂皂 的推力筒尧仪器支架尧愿 根支撑杆和分隔环都使用了 酝源园允月 悦云砸孕袁 此外袁 卫星的外壳尧一些仪器的安装板均采用了碳纤维辕环氧蜂窝夹层结构遥渊圆冤 卫星能源系统要太阳电池阵结构卫星在太空中工作所需要的电能是由太阳电池阵提供的袁用电量较大遥 卫星发射时袁大型太阳电池阵通常都是折叠的袁在空中进行展开袁面积较大袁不能采用金属件制成遥 由 于 悦云砸孕 具有质量轻尧比强度高尧比刚度大以及线膨胀系数小的特点袁因此袁大型太阳电池阵通常采用 悦云砸孕遥 由德国 酝月月 公司研制出并已应用于轨道试验卫星的一种刚性太阳电池阵是由 悦云砸孕 面板尧薄壁方形梁和铝蜂窝胶结而成袁 面积为 员员郾 源 皂圆遥 应用在国际通信卫星吁 号咱员猿暂上的太阳能电池帆板的面积为 员愿郾 员圆 皂圆袁也采用了 悦云砸孕袁 每个帆板的长为...
琥珀常见的种类有 ：金珀 、血珀 、花珀 、蓝珀 、蜜蜡 、昆虫琥珀等 。
琥珀呈不规则块状体 ，大小形状各异 。
透明琥珀色呈暗红色 ，称为琥珀 ，而呈金黄色 ，称为金珀 。除此之外 ，还有的黄色重至蜜黄色 、棕色重至棕红色 、淡绿色重至绿褐色 、浅红色重至浅棕色等 。
还没有加工的原料抛光后多呈树脂光泽甚至近玻璃光泽 。
琥珀是较早受消费者喜欢的珠宝之一 ，随着琥珀在市场上的受欢迎程度逐渐升高 ，喜欢收藏 、佩戴琥珀首饰的消费者相对也增加了不少 。
早期琥珀以串珠形式出现 ，或以配珠出现在其他材质首饰上作为辅料 。
近年来消费者的审美要求不断提高 ，在这样的背景之下 ，琥珀首饰的款式也越来越独特 ，多以 １８K 金或银材质进行镶嵌设计为主 ，款式以吊坠 、戒指 、耳饰 、手链居多 ，制作工艺上也更加优良 、精美 。3 琥珀在中式“红木首饰”中的创新应用3 ．1 造型方面的创新应用最早的“中式”首饰设计风格常常会表现为叠加 、单纯复制中国古典元素 ，或将中国历史文化中沉淀下来的具有中式风格的设计元素稍加修改 ，重新组合 、演变成可用于创作新首饰的元素（图案首饰化）
，这种首饰设计风格在现代设计领域中仍在延用 ，并被称为“复古”的首饰设计手法 。3 ．2 纹样方面的创新应用纹样 ，作为装饰的重要部分 ，同装饰共同构成了中国传统文化的元素之一 ，在中国历史发展的长河中 ，伴随和贯穿了整个人类生活 。
而且 ，不同的纹样 ，反映了不同时期的 、不同的风俗人情 ，古代原始社会的纹样 ，是简单直观的 ，而奴隶制社会 ，纹样变成了粗犷的 、简洁的 ，再发展到封建社会 ，纹样已经进化成了精致 、繁复的程度 ，既有飞鸟走兽 ，也有花鸟虫鱼等各种吉祥纹样 。
各种纹样 ，都凝聚着那个时代的 、独特的审美观念及艺术风格 。从古至今 ，有无穷多的精美纹样被保存 、流传和学习 、并升华下来 ，这些瑰宝 ，都可以被我们广泛地应用在现代首饰设计当中 。中式风格的纹样 ，虽然种类和样式繁多 ，但我们还是可以分为几个大类 ：比如 ：（１）动物纹样 ；（２）植物纹样 ；（３）虫鱼纹样 ；（４）器物纹样 ；（５）寓意吉祥纹样 ；（６）平面几何纹样 ；（７）立体几何纹样 。
其中被经常使用在首饰设计中的有云纹 、回纹 、卷草纹等 。３ ．２ ．１ 直接移用设计过程中 ，有选择的吸收 、巧借 、融和现在或以前的造型 ，从而设计出新的首饰作品 ，而且还可以对以前或现有的造型进行直接分解或间接分解 。３ ．２ ．２ 间接移用然而在首饰设计的日常工作中 ，经常会遇到这种情况 ：设计人员对于有些准备借用或参考的造型 ，在进行直接分解时 ，遇到很大或很多的困难 ，这种时候 ，采取间接分解不失为一个好办法 ，可以在参考 、借鉴 、移用时进行大量的取舍 ：比如说 ：（１）当遇到轮廓形状与细节同时变化时 ，轮廓形状不变 ，只做细节变化 ；又或者 ：细节不变 ，对轮廓外形做改变 。
这样做的目的就是要重点突出设计的某一部分 ，通过 ，改变首饰的比例和结构 ，从而增强首饰的装饰效果 。（２）增加或减少设计中重要或不重要的部分 ，从而使其造型图案或复杂化或单纯化 。4 结论随着首饰设计以及材料应用的进一步创新 ，红木材料在首饰中的应用也越发常见 ，从而让一件木艺首饰焕发出持久的魅力 。
同样的一件首饰加入了新的材料元素（琥珀）
，会给人带来新的感受 。
首饰设计的不断发展 ，首饰材料不断融入新的东西 ，必须吸收更多的营养与艺术精髓 。
只有这样 ，首饰的发展才能达到一个更新更高的高度 ，珠宝首饰设计才能够突破限制 ，迎来一个更好的明天 。参考文献［１］ 施吉桢 ，吴亦昊 ．首饰设计的中国风［J］ ．科技视界 ，２０１４ ，（２）
．碳纤维复合材料在航空航天领域的应用研究王铭辉（大连经济技术开发区第一中学 ，辽宁 大连 １１６６００）摘 要 ：碳纤维基复合材料是航飞行器在长时飞行 、跨大气层或再入飞行中不可或缺的组成部分 。
碳纤维基复合材料在航天飞行器的研制过程中有重要影响 ，对飞行器的热防护系统起到了至关重要的作用 。
针对近年来碳纤维基复合材料在航天技术领域的应用的最新研究成果进行归纳 ，并探讨了碳／碳复合材料料的优缺点 ，最后针对碳／碳复合材料的发展提出了建议 。关键词 ：碳纤维 ；C／C 复合材料 ；航天应用中图分类号 ：TB
文献标识码 ：A
doi ：１０ ．１９３１１／j ．cnki ．１６７２-３１９８ ．２０１９ ．０８ ．０９５1 引言碳纤维具有极其优异的耐烧蚀 、耐高温 、轻质等优异的性能 ，其可以作为增强材料提高陶瓷及金属等传统材料的力学性能 ，特别适合用于航天飞行器热防护等部位 ，对航天飞行器的热防护发挥着无可替代的作用 。
世界各国航天飞行器的关键热防护系统均采用碳纤维基防热复合材料 ，如美国多种航天飞行器采用碳／碳复合材料和碳／酚醛复合材料 ；俄罗斯则采用了三维万方数据
工程管理与技术现代商贸工业 ２０１９年第 ８ 期a １９２
编纤维为增强体制备了碳／碳复合材料 。
此外 ，美 、俄 、法等国的高性能发动机均采用碳纤维基复合材料 。
这说明在未来 ，碳纤维基复合材料无疑将成为航空航天飞行器用的主流材料 。
碳纤维的诞生和发展为 ２１ 世纪航天事业的进步有着密切的联系 。
起初 ，美国为满足航天飞行器防热系统发展了粘胶基碳纤维 ，随后日本大力发展了聚丙烯基碳纤维 ，并且到目前为止 ，日本产出的聚丙烯基碳纤维仍然占据了国际大部分的市场 。
但是 ，就目前情况而言 ，国产碳纤维与国外 ，尤其是日本生产的碳纤维相比 ，无论是力学性能还是产品批次的稳定性来讲 ，国产碳纤维仍存在一定的差距 。“十三五”以来国家提出了大力发展国产碳纤维的科学技术目标 ，这对提高我们国家碳纤维性能 、碳纤维产业化无疑具有重大的战略意义 。
碳纤维性能的提高意味着航天飞行器在极端环境下服役安全性能的提升 ，本文就针对碳纤维的发展及性能以及碳／碳复合材料在航天飞行器上的进行归纳总结 ，并针对碳／碳复合材料未来的发展提出建议 。2 碳纤维的发展碳纤维是一种丝状的碳素材料 ，具有轻质 、高强 、高弹性模量 、耐高温 、耐腐蚀 、X 射线穿透性和生物相容性等特点 。
早期的碳纤维可以追溯到 １８７８ 年英国斯旺和 １９７９ 年美国发明家爱迪生两人分别用棉纤维和竹纤维碳化制成电灯泡的灯丝 ，但是真正实用的碳纤维知道 ２０ 世纪 ５０ 年代材登上历史的舞台 。
随后碳纤维是发展及应用得到了质的飞越 。
从 ２０ 世纪 ６０ 年代开始 ，突破了聚丙烯腈碳纤维的连续制备技术路线 ，为碳纤维从实验室走向工业化奠定了基础 。
到 ７０ 年代开始 ，以 T３００ ，M４００ 为代表的高性能聚丙烯腈基碳纤维开始工业化生产 ，同时也推动了碳纤维在航空领域的应用 ，到 ８０ 年代日本 、美国等逐渐垄断了高性能的碳纤维 ，同时碳纤维的需求也在不断扩大 ，从航天领域逐渐向民用领域的扩张 。碳纤维是由聚丙烯腈 、黏胶丝或沥青等有机体在高温 、惰性气氛下裂解 、碳化而成 ，碳含量在 ９５％ 以上的高分子纤维 。
其结构由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴方向堆砌而成（见图 １ 所示）。
碳纤维根据原料可分为聚丙烯腈碳纤维（PAN）、沥青基碳纤维 、粘胶基碳纤维及酚醛基碳纤维 。
PAN 基碳纤维是目前产量最大的碳纤维 ，其产量约占 ９５％ 左右 ，沥青基碳纤维约占 ４％ 左右 ，粘胶基碳纤维约为 １％ ，而酚醛基碳纤维目前仍然处于实验室的研究阶段 ，还未真的工业化的应用 。图 1 碳纤维 SEM照片3 碳／碳复合材料C／C 复合材料是先进空天飞行器及其动力更系统等重大工程不可或缺的战略性材料 。
C／C 复合材料复合材料同时兼具碳纤维的优异的力学性能 ，在航天 、航空 、化工领域 、核工业等具有广泛的应用价值 。
尤其是碳／碳复合材料应用于飞行器的高温防热部位 ，如头锥等尖端部位 。
同时也能用于火箭的发动机喉衬等部位 。
碳／碳复合材料根据碳纤维编制的方式不同 ，主要有 ２D 碳／碳复合材料 ，２ ．５D 碳／碳复合材料以及高性能的 ３D 碳／碳复合材料 ，密度从 ０ ．２g／cm３变化到２.０g／cm３ 以上 。
在 C／C 复合材料中 ，碳基体与碳纤维之间的界面为弱结合 ，在宏观上表现为力学连续体 。C／C 复合采用增强体与基体均为碳材料 ，故而具有相近的热膨胀系数 ，在服役过程中 ，不会由于基体与增强体之间的热失配而产生参与应力 ，极大地拓展了 C／C复合材料的应用空间 。3 ．1 C／C复合材料的成型工艺C／C 复合材料的成型过程就是将碳纤维预制体与碳前驱体不断复合 ，碳前驱体不断裂解的过程 。
其中碳纤维预制体主要有碳纤维布经过穿刺 、针刺 、缝合等工艺形成具有高孔隙率的碳纤维编制体 。
因此碳前躯体不断填充碳纤维预制体的过程就是碳纤维预制体致密化的过程 ，同时也是传统碳／碳复合材料的制备工艺过程 。
为达到高致密度的碳纤维预制体 ，需要不断地重复将碳前驱体填充到碳纤维预支中去 。
碳纤维预制体致密化工艺是碳／碳复合材料性能和工艺的关键技术 ，同时也国内外研究的热点问题 。
针对碳纤维预制体致密化过程 ，国内外研究学者主要提出两种工艺 。３ ．１ ．１ 浸渍／碳化法致密化工艺该方法是传统的制备 C／C 复合材料的工艺 。
主要制备流程见图 ２ 所示 。
主要通过多次的浸渍 、碳化和高温热处理来达到致密化的目的 。
在浸渍过程中需要给与一定的压力 ，使液态的前驱体溶液渗入碳纤维预体中 ；碳化和高温处理需要在惰性气氛下进行 ，通过加热使碳前驱体中其他小分子脱出 ，而碳经过缩聚形成碳质材料 ，填充在碳纤维预制体的空隙当中 。图 2 浸渍／碳化法致密化工艺流程图３ ．１ ．２ 化学气相渗透法化学气相渗透（CVI）致密化工艺是通过气 － 固表面多相反应 ，在预制体空隙中不断沉积的一种工艺 。因此要求在制备过程中碳纤维预制体孔隙率要高 ，通过烃类物质的气相热解 、扩散 、沉积等过程形成碳基体 。
该工艺主要缺点是周期长 ，生产效率低 、不易实现高致密的复合材料 。
同时 ，该工艺具有设备简单 、基体均匀的优点 。
通常 ，采用 CVI 工艺制备的 C／C 复合材料需要高温进行热处理 ，主要目的是促进基体碳的深度成碳以及将基体材料中的孔隙率打开的目的 。从以上制备工艺可以看出 ，对于较厚 、尺寸较大的碳纤维预支而言 ，采用浸渍／碳化工艺很难保证内部碳预支的均匀 ；而采用 CVI 时 ，生产周期较长 。
因此 ，在实践中 ，通常采用两种工艺相结合的方式进行 ，先采用浸渍／碳化法再采用化学气相渗透法 ，经研究发现 ，采用两种方式结合 ，能够大幅度提高制备效率及致密度 。3 ．2 C／C复合材料的应用C／C 复合材料已成为 ２１ 世纪不可或缺的战略性万方数据
现代商贸工业 ２０１９年第 ８ 期a １９３
材料 ，近年来已经在航空航天等领域受到越来越多的关注 。
飞行器在高速飞行过程中 ，由于受到启动加热的影响 ，飞行器的鼻锥 、固体火箭发动机喷管等（见图３）等部位将面临超过 ３０００°C 高温的冲刷 ，因此 ，C／C复合材料已成为该部位的候选材料 。
例如 ，美国 MK等型号导弹的鼻锥帽就是在用了 C／C 复合材料 ，在前期的实验验证中 ，该材料表现出良好的烧蚀性能 ，且整体外形保持良好 ，提高了该型号飞行器的命中率及精度 。
此外 ，在欧洲等具有代表性的发达国家 ，也在积极研制更高温度 ，拓展 C／C 复合材料的应用领域 。
采用C／C 复合材料制备的火箭发动机喷管 ，重量减轻了２０％ －３０％ ，提高了复合材料应用效率 。
然而 ，C／C 复合材料在有氧环境下的氧化进一步限制了其广泛的应用 ，研究者们通过在 C／C 复合材料表面制备抗氧化涂层 ，成功地将其应用于飞机上 ，实现了复合材料的防热一体化结构设计 ，同时也大大减轻了飞机的重量 。图 3 碳／碳复合材料用于火箭发动机喷管图 4 碳／碳复合材料在飞行器上的应用4 展望C／C 复合材料在高温极端环境下服役过程中主要有氧化 、升华及剥落等方式对复合材料造成损伤 。
尤其是 C／C 复合材料在有氧环境下的氧化问题是限制其在长时间服役的飞行器下应用的技术瓶颈问题 。
就目前发展而言 ，主要有两种方式提高 C／C 复合材料的抗氧化性能 ：一是在基体中引入抗氧化性能优异的第三相陶瓷相 ，如 ZrB ２ 、SiC 等 ，但是由于在碳纤维内部和碳纤维单丝上包覆其他陶瓷相具有一定的困难 ；二是表面涂层法 ，即在 C／C 复合材料表面制备一层高温抗氧化涂层 ，用于保护基体材料 。
从目前的发展情况来看 ，涂层法是最有潜力的一种方法 。
早期 ，主要研究适用于 ９００ ℃ 左右的抗氧化添加剂 ，主要有氧化硼 、碳化硼以及氮化硼等 ；采用硅基化合物 ，如 SiC 、SiO ２ 以及MoSi ２ 等可以将抗氧化性能提升至 １３００ ℃ 左右 ；对于更高的使用温度要求 ，采用较高的难熔化合物作为添加剂是目前研究的热点 。
因此 ，在今后 ，针对 C／C 复合材料抗氧化问题 ，需要展开深入系统的研究 。参考文献［１］ Kagawa ，Y ．and Goto ，K ．Notch ．Sensitivity of Two － DimensionalWoven SiC Fibre － Reinforced SiC Matrix Composite Fabricatedby the Polymer Conversion Process［J］ ．Journal of Materials Sci-ence Letters ，１９９７ ，（１６）
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as themal protection systems for discovery mis-sions［R］ ．NASA Technical Memorandum － １１０４４０ ，１９９７ ．［６］ 王俊山 ．防热复合材料例子侵蚀特性研究 ［J］ ．宇航材料工艺 ，２０００ ，（５）
：３２-３５ ．［７］ 李仲平 ．防热复合材料发展与展望［J］ ．复合材料学报 ，２０１１ ，（２）
：１-９ ．［８］ 黎小...
主要内容1、引言2、树脂基复合材料的应用3、结语
7.82.84.521.45 1.6 1.42.12.65246810密度复合材复合材料1、引言02钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合材料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料料的性能比较的性能比较3
0.811.21.41.6钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料00.20.40.61氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合材料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料拉伸强度4
01231钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合材料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料弹性模量5
00.511.52比强度 比模量01 2钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合材料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料6
高性能树脂基复合材料以其典型的 轻量特性，卓越的特性，卓越的 比强度 、 比模量 ，独特的 耐烧蚀和隐蔽性、材料性能的、材料性能的 可设计性 、制备的 灵活性和易加工性等受到世界各国的青睐。采用复合材料可实现武器系统的轻量化，从而提等受到世界各国的青睐。采用复合材料可实现武器系统的轻量化，从而提高快速反应能力 ， 并在高威力 、 大射程 、 精确打击等方面起到巨大作用，尤其在以航空为主的国防工业已得到普遍应用。目前采用复合材料制造的零、部件现已成为航空、航天、兵器、船舶等国防产品结构的主要组成部分。等方面起到巨大作用，尤其在以航空为主的国防工业已得到普遍应用。目前采用复合材料制造的零、部件现已成为航空、航天、兵器、船舶等国防产品结构的主要组成部分。
2、树脂基复合材料的应用在军事领域的应用上 在民机 的应用在航空发动机上的应用在卫星结构中的应用
EF2000 40%军机应用2.1在军事领域的应用飞机结构复合材料用量是飞机先进性的重要标志飞机结构复合材料用量是飞机先进性的重要标志F22
25%F35
35%F16
2%
直升机应用V-22 50%Tiger 80%
无人机应用• 全球鹰（Global Hawk）• 捕食者(Predator）• 暗星（Dark Star）• 先锋 （P P ioneer ）X-45C 90%先锋 （P P ioneer ）• 搜索者（Searcher）Predator
为满足新一代战斗机高机动性、超音速巡航及隐身的要求，进入20世纪90年代以后，美国战机无一例外的大量采用了复合材料结构，用量一般都在20%以上，有的甚至达到35%，结构减重效率达30%。复合材料应用部件几乎遍布飞机的基体，包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。图1给出了战斗机典型的复合材料部件。
图1 战斗机上典型的复合材料部件
F-18 战斗机15F-18是一种舰载战斗机，绰号 “大黄蜂”．
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2.2 在民机上的应用因为材料的选择将直接影响到飞机的购买费用（原材料费用和加工成本）、燃油费用（飞机重量）和维护费用（检查和维修），所以在民用飞机的设，。图2 计当中 对材料的选择非常关键 图 给出了典型的民用飞机直接运营成本的分解情况，从图中可以看出，民机的选材将直接影响民机的运营费用。师姐表明，用树脂基复合材料制造飞机部件比传统航空材料通常减重20%-30%,使用和维护成本比金属材料低15%-25%。
图2
飞机运营成本分解图
除了费用以外，安全因素也是民用飞机设计选材时必须考虑的重要因素，任何一种新材料在民用飞机上的应用都是漫长的（常为5-10年）和昂贵的（为常用材料的1-5倍）。但是，航空安全对材料性能的苛刻要求又促使先进材料的发展，迫使工业界采取最先进的制造技术来提高材料的性能和降低成本。民用飞机中复合材料部件的使用率一直在不断增加。
民机应用 —— A380• 复合材料22%• Glare 3%• 铝61%• 钛和钢 10%• 其他5%
波音 767 客机21
22
机身结构机身结构 民机应用 —— B787Carbon laminateCarbon sandwichFiberglassAluminumAluminum/steel/titanium pylonsComposites50%Titanium15%Other5%Steel10%Aluminum20%Primary Structure Weight by Material机翼结构机翼结构
民机应用 —— B787Boeing787 第一个全尺寸复合材料机身段，长7m 宽6m，减重20%
机翼结构中央翼盒
65%15%Titanium
5% 应用趋势—— 复合材料成为飞机结构最为重要的基本材料
5%Titanium
15%Aluminium 15%Steel
65%Composites 15%Steel
65%Aluminium
15%Composites2000 年 2020 年（预测）飞机机体结构材料飞机机体结构材料
2.3 在航空发动机上的应用随着航空发动机性能不断提高，特别是质量不断减轻，在依靠整体叶盘、整体叶环、空心叶片和对转涡轮等新颖结构的同时，还将越来越多的依赖于高比强度、低密度、高刚度和耐高温能力强的先进复合材料，见图3。经过多年的实验和经验积累，航空发动机上越来越多的部件采用复合材料部件，而且各国纷纷都向这个方向努力。
图3 发动机主体材料用量的变化趋势
2.4 在卫星结构中的应用树脂基复合材料在卫星结构中应用的部位一般归纳为4类：1）卫星本体结构，包括卫星外壳、中心承力筒、各种仪器安装结构板；2）太阳电池阵结构，包括太阳电池基板和连接架；3）天线结构，包括反射器、支撑结构和馈源结构；4）桁架结构，包括接头和杆件等。上述4类卫星结构部件广泛应用树脂基复合材料，主要有碳/环氧复合材料、凯芙拉/环氧复合材料和蜂窝夹层结构件等，在卫星结构中基本应用情况见图4。
图4 卫星结构示意图
卫星和空间站
3、结语先进树脂基复合材料在航空工业中的应用是技术推动和需求牵引双重作用下的结果。一方面随着材料性能提高、工艺改进、成本降低等方面取得重大进展，先进树脂基复合材料在航空工业中的应用更加广泛，从而提高了军民用飞机及发动机的技术性能和经济性能；另一方面新一代军民用飞机及发动机的发展又对材料性能提出了更高要求，迫使工业界采取最先进的设计和制造技术来提高材料的性能和降低成本，从而又促使先进树脂基复合材料的发展。所以，随着材料技术的发展和新型飞行器的研制，先进树脂基复合材料将在航空工业中得到越来越广泛的应用。
复合化是新材料的重要发展方向, 先进复合材料已经成为航空航天结构的基本材料之一。
本文中阐述了先进复合材料在航空航天领域的应用需求和现状, 介绍了诸如点阵、纳米、多功能复合材料与结构等研发热点和前沿技术, 并讨论了其研发与应用趋势。最后, 重点讨论了复合材料的原材料技术、低成本技术、设计/ 评价一 体化技术等亟待解决的问题。
关键词:
先进复合材料;
航空航天;
低成本;
设计/ 评价一体化
1.先进复合材料是航空航天的重要物质基础与先导技术 1. 1
先进复合材料已成为四大类材料之一 复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一[1 ] , 复合材料是指由有机高分子、 无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料, 它既能保留原有组分材料的主要特色, 又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同, 从而获得原组分材料无法比拟的优越性能, 与一般材料的简单混合有本质的区别[2 ] 。所谓先进复合材料( Advanced composite material s , 简称ACM) 是指用碳纤维等高性能增强相增强的复合材料, 对于先进树脂基复合材料, 在综合性能上与铝合金相当, 但比刚度比强度高于铝合金[3 ] 。本文中主要针对先进复合材料(主要指先进树脂基复合材料) 及其在航空航天中的应用进行评述与讨论. 1. 2
先进复合材料的优越性 先进复合材料的高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计等优势已被世人所共识, 与传统材料相比, 复合材料具有如下特点: (1) 可设计性和各向异性。复合材料的力学、机械及热、声、光、电、防腐、
抗老化等性能都可按照构件的使用或服役环境条件要求, 通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段, 最大限度地达到预期的目的, 以满足工程结构设计的使用性能, 同时由于复合材料具有各向异性和非均匀性, 可以通过合理的设计消除材料冗余, 最大程度发挥材料及结构的潜力和效率。
(2) 材料与结构一体化。
复合材料构件与材料是同时形成的, 一般不再由 “复合材料”加工成复合材料构件, 使之结构的整体性好, 大幅度减少零部件和连接件数量, 从而缩短加工周期, 降低成本,提高可靠性。
(3) 复合效应。复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的, 但它不是几种材料的简单混合,而是按照复合效应形成的新的性能, 这种复合效应是复合材料仅有的,通过复合效应, 复合材料可以克服单一材料的某种性能缺陷。
(4) 材料性能对复合工艺的依赖性。复合材料结构在形成过程中有组分材料的物理和化学变化,因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性较大, 同时也由于在成形过程中很难准确地控制工艺参数, 使其性能的分散性较大。
(5) 多功能性和发展性。复合材料组成的多样性和随意性为复合材料具有除力学性能以外的许多功能(如声、光、电、磁、热等) 创造了条件, 使复合材料拥有吸波、透波、耐热、防热、隔热、导电、记忆、阻尼、摩擦、阻燃、透析等功能; 同时与其它先进技术相结合, 如与纳米技术结合发展的纳米复合材料, 与生物、医学科学相结合发展的生物复合材料, 与微机电、控制、传感技术等相结合发展的智能复合材料等, 赋予了先进复合材料新的内涵。随着先进复合材料研究、研制及应用的不断扩大, 其优越性能越来越得到充分发挥和扩大。
1. 3
先进复合材料已发展成为航空航天结构的基本材料 将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重20 %30 % , 这是其他先进技术很难达到的效果。
美国NASA 的Langley 研究中心在航空航天用先进复合材料发展报告中指出, 各种先进技术的应用可以使亚音速运输机获得51 %的减重(相对于起飞重量) 效益, 其中, 气动设计与优化技术减重416 % , 复合材料机翼机身和气动剪裁技术减重2413 %, 发动机系统和热结构设计减重13. 1 % , 先进导航与飞行控制系统减重9 %[4 ] , 说明了先进复合材料的应用减重最明显。
航空领域的材料体系更强调性能与可靠性的综合, 先进复合材料的应用不
仅具有减重的效益, 而且还使飞机结构的其他性能得到提升。例如复合材料的气动剪裁技术可显著提高结构效率[5 ] ; 整体成形技术可有效减少连接, 提高结构可靠性, 降低成本; 复合材料耐腐蚀抗疲劳特点可降低维护成本。
2
先进复合材料的研发热点 2. 1
原材料技术是先进复合材料研发的基础与前提 目前关于碳纤维的研究主要是提高模量和强度, 降低生产成本。使用的纤维先驱体仍然主要是PAN 和沥青纤维, 二者的用量比例约为6∶1 。一般来说, PAN 基碳纤维具有高强度, 而沥青基碳纤维具有高模量。但通过控制微观结构缺陷、 结晶取向、 杂质和改善工艺条件, 利用PAN 或沥青纤维均可获得高强/ 高模纤维。事实上到目前为止, 要稳定生产模量> 700 GPa 和强度> 5. 5 GPa 的高模高强碳纤维, 仍然是非常困难的。碳纤维的压缩强度较低, 离子注入技术可改善碳纤维的压缩强度,但这种工艺成本很高。
2. 2
新型复合材料是先进复合材料可持续发展的趋势与动力 新型航空航天器的发展不断追求高效能、低成本、长寿命、高可靠, 对其材料与结构的综合要求越来越高。
为适应此应用需求, 一些新型复合材料应运而生, 在现有材料性能基础上继续挖掘先进复合材料潜力, 如超轻材料与结构技术力求轻上加轻,纳米复合使其强上加强, 多功能化追求功上加功。
2. 2.1
纳米复合材料 纳米材料科学是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学, 而且涉及到原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等诸多学科, 由于纳米材料体系具有许多独特的性质, 在实际应用和理论上都具有极大的研究价值, 应用前景广阔, 成为近些年来材料科学领域研究的热点之一, 被誉为21 世纪最有前途的材料。纳米复合材料已经成为先进复合材料技术的一个新增长点, 也是先进复合材料技术研究最活跃的前沿领域之一。纳米复合材料的超常特性使其在航空航天等领域具有广泛的应用前景。
2. 2.2
多功能复合材料与结构 从20 世纪50 、60 年代的复合型多功能复合材料到现在的多功能一体化复合材料, 多功能复合材料的发展历史已近40 年, 在这几十年中,不仅多功能复合材料的概念、结构和种类都发生了巨大变化, 而且其应用领域也由战略导弹扩展
到卫星、航天飞机等各种宇航系统中, 多功能复合材料的发展为航天工业和武器系统的发展打下了坚实的基础。
新兴的多功能一体化型复合材料从一问世即引起了广泛的重视, 20 世纪90 年代后, 美国军方特别注重多功能复合材料的研究与发展, 明确地指出该种材料在未来战争中将起到举足轻重的作用。多功能 复合材料的发展速度极快,材料种类也不断增多,材料的功能性也不断增强。其未来的发展方向是不断满足现有型号和各种新型号的需要, 努力提高功能性,即将尽可能多的功能集于某一种单一材料上. 2. 3
设计/ 评价一体化技术是先进复合材料应用的重要支撑与保障 复合材料作为多相体(夹杂、基体、界面相等)材料, 其自身具有显著和丰富的细观结构特征, 因此其宏观性能和损伤、失效规律不仅取决于每一组分材料的特性, 同时还依赖于复合材料的细观结构特征, 其中包括夹杂(如纤维、晶须、颗粒、裂纹、空洞等) 的体积分数、形状、尺寸、分布规律及界面形式等[ 6 ] 。复合材料还具有材料2结构2工艺一体化的特征, 尤其对多向编织复合材料和纤维缠绕先进复合材料来说, 构件的材料和结构的设计与制造都包含组分材料2复合材料2结构三个层次上的同时性, 没有复合材料的成品或中间产品。
因此, 对复合材料的研究必须采用“设计/ 评价”一体化的研究思想。
3
我国先进复合材料可持续研发与应用中急需解决的问题 3. 1
国产碳纤维 碳纤维是最重要的增强材料, 我国碳纤维研发与生产中存在的几个问题: 原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、应用基础研究薄弱等。国外预测我国将成为最大的复合材料制造商和用户, 预计2010 年中国的需求量将占世界的1/ 4[7 ] . 3. 2
低成本复合材料技术 我国在低成本复合材料技术方面也面临着很大的挑战, 尤其是在低成本制造技术方面。以某机翼研制为例, 碳纤维树脂基复合材料每千克成本为9600 元, 其中碳纤维约为1000 元, 树脂约为300元, 纤维和基体的成本在总成本中占有份额小于15 % , 设计成本小于5 % , 而制造成本却高达80 %。首先, 要继续发展低成本工艺技术, 如树脂传递模塑(RTM) 及其衍生工艺、 电子束固化和低温固化工艺等。同时, 发展制造过程优化以及工艺控制技术, 提高复合材料的性能稳定性,
也是降低成本的重要手段。大幅降低成本, 提高制造效率的重要技术是自动化制造, 如自动纤维铺放技术等, 而我国先进的工艺装备还十分缺乏。
3. 3
先进复合材料及结构的设计理论与方法 我国首先要解决的是设计理念上的问题。主承力结构件上大量用复合材料, 需要设计师接受和信赖复合材料。其次是设计理论问题。复合材料的性能分散性 和环境依赖性使其设计问题相当复杂, 设计准则和结构设计值的确定还很保守再有就是数据积累的问题。复合材料的制备成本高、周期长, 性能测试难度大、费用昂贵。设计、制备、评价和使用过程中获得的每一个材料性能数据都弥足珍贵。因此, 建立长期的开放式的数据库系统十分必要。最后, 就是规范和标准问题。
将复合材料的设计和鉴定文件化、 规范化, 使试验和分析更好地结合起来, 形成设计和鉴定的统一指南, 编制全行业的技术标准, 显著改进最终产品的一致性, 减小风险、 降低成本。
典型的有MIL 2 HDB K217 的重新修订, 由FAA、 NASA 、军方和工业界共同组织200 多位专家重新修订出版其新3 卷本于1999 年完成。
4
结束语 新型航空航天器的先进性标志之一是结构的先进性, 而先进复合材料是实现结构先进性的重要物质基础和先导技术。
我国将成为世界上先进复合材料的最大户, 却面临着国外的技术封锁及我国技术贮备的严重不足。因此, 实现我国先进复合材料研发和应用的可持续发展, 必须坚持自主创新, 解决原材料问题, 设计应用中的理论问题, 低成本技术问题, 政策支持问题。
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复合材料是当今科技发展的重要物质基础， 特别是先进复合材料已经成为应用 于航空航天的基本材料之一。
本文简要概述了 先进复合材料的特性， 着重介绍了 先进树脂基复合材料、 金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳／碳复合材料等的特点和研究进展， 以及先进复合材料在航空航天领域的应用 。关键词：
先进复合材料； 航空航天； 应用中图分类号：ＴＢ ３３ 文献标志码：ＢＡｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉｏｎ ｓ ｏ ｆ Ａｄ ｖ ａｎ ｃ ｅｄ Ｃｏｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉａ ｌ ｓ ｉｎ Ａ ｅ ｒ ｏ ｓｐａ ｃ ｅＺＨＵ Ｊ ｉｎ ｓｈ ｅｎ ｇ， ＷＡＮＧ Ｚｈｕｏ， ＯＵ Ｆ ｅｎ ｇ（Ｍ ｉ ｌ ｉ ｔ ａ ｒ ｙ Ｒ ｅｐ ｒ ｅ ｓｅｎ ｔ ａ ｔ ｉｖ ｅ ｏ ｆ ８１０Ｉｎ ｓ ｔ ｉ ｔｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｓｈ ａｎ ｇｈ ａ ｉ Ａ ｃ ａｄ ｅｍｙ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒｏ ｓｐ ａ ｃｅ，Ｓｈ ａｎ ｇｈ ａ ｉ ２０１１０８，Ｃｈ ｉｎ ａ）Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ：Ｃｏｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ａ ｒ ｅ ａｎ ｉｍｐｏ ｒ ｔ ａｎ ｔ ｓｕｐｐｏ ｒ ｔ ｆ ｏ ｒ ｓ ｃ ｉ ｅｎ ｃｅ ａｎｄ ｔ ｅ ｃｈｎ ｏ ｌｏｇｙ ｄ ｅｖ ｅ ｌｏｐｍ ｅｎ ｔ ｏ ｆ ｍｏｄ ｅ ｒｎ ｔ ｅ ｃｈｎ ｏ ｌｏｇｙ．Ｅ ｓｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｌｙ，ａｄｖ ａｎ ｃ ｅｄ ｃｏｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ（ＡＣＭ）ｈ ａｖ ｅ ｂ ｅ ｃｏｍ ｅ ｔｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｃ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｏ ｆ ｔｈ ｅ ａ ｅ ｒ ｏ ｓｐ ａ ｃ ｅ ｅｎ ｇ ｉｎ ｅ ｅ ｒ ｉｎ ｇ． Ｉｎ ｔｈ ｉ ｓ ｐ ａ－ｐ ｅ ｒ，ｔｈ ｅ ｃｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ａｄｖ ａｎ ｃｅｄ ｃｏｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｓｕｍｍ ａ ｒ ｉ ｚ ｅｄ ｂ ｒ ｉ ｅ ｆ ｌｙ． Ｔｈ ｅ ｐ ｒ ｏｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ａｎｄ ｐ ｒｏｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ａｄｖ ａｎ ｃ ｅｄｐｏ ｌｙｍ ｅ ｒ ｍ ａ ｔ ｒ ｉｘ ｃｏｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ，ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｍ ａ ｔ ｒ ｉｘ ｃｏｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ，ｃ ｅ ｒ ａｍ ｉ ｃ ｍ ａ ｔ ｒ ｉｘ ｃｏｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ａｎｄ ｃ ａ ｒｂｏｎ／ｃａ ｒｂｏｎ ｃｏｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｍ ａ ｉｎ ｌｙｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉｂ ｅｄ，ａ ｓ ｗ ｅ ｌ ｌ ａ ｓ ｔｈ ｅ ａｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉｏｎ ｓ ｏ ｆ ａｄｖ ａｎ ｃ ｅｄ ｃｏｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ｉｎ ｔｈ ｅ ａ ｅ ｒｏ ｓｐ ａ ｃ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌｄ ｗ ｅ ｒ ｅ ｉｎ ｔ ｒ ｏｄｕ ｃｅｄ．Ｋ ｅｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ：Ａｄｖ ａｎ ｃｅｄ ｃｏｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ， Ａ ｅ ｒ ｏ ｓｐ ａ ｃ ｅ， Ａｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉｏｎ 随着现代高技术的 迅猛发展， 特别是国 内 外航空航天领域的发展， 材料的使用环境越来越恶劣， 对材料的要求也越来越苛刻。
新材料技术是为了满足高技术发展需求而开发的高性能新型材料。
复合化是新材料的重要发展方向， 也是新材料最具生命力的分支之一， 复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列 的四 大材料体系之一［１］。１ 先进复合材料的特性复合材料是由 有机高分子、 无机非金属或金属等几种不同物理、 化学性质的材料， 通过复合工艺，以微观、细观或宏观等不同的结构尺度与层次， 经过复杂的空间组合而形成的新的材料系统［２］。
它与一般材料的简单混合有本质区别， 可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联， 从而获得更优越的性能， 既保留原组成材料的重要特色， 又通过复合效应获得原组分所不具备的性能［３］。先进复合材料是指用 高性能纤维、 织物、 晶须等增强基体材料所制成的高级材料。
通常增强基体有碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料［４－５］； 先进复合材料具有高比强度、 高比模量和性能可设计等特点， 能有效地减轻导弹和航天器的结构质量， 并赋予某些特殊功能（如 防热、 吸波等）， 是用 于飞机、 火箭、卫星、飞船等现代航空航天飞行器的理想材料，也是当今航天新材料研究和发展的重点［６］。
先进复合材料的使用 ， 不仅极大地提高了 现代飞行器的性能， 使得人类飞天、 登月 的梦想变成现实， 同 时也创造了巨大的经济效益。２ 先进复合材料的特点及研究进展航空航天所用的先进复合材料主要有树脂基复合材料、 金属基复合材料、 陶瓷基复合材料和碳／碳复合材料等， 尤以树脂基复合材料在航空工业中的应用最为广泛［７］。２．１ 先进树脂基复合材料先进树脂基复合材料是以高性能树脂为基体，高性能连续纤维等为增强材料， 通过一定的 复合工艺制备而成， 是具有明 显优于原组分性能的新型材料。
与传统的钢、铝合金结构材料相比， 它的密度约为钢的１／５， 铝合金的１／２， 且比强度与比模量远高于二者。先进树脂基复合材料常用的增强纤维包括碳纤维和其他高性能有机纤维， 目 前应用 得最多和最重要的是碳纤维， 其典型代表是环氧树脂基碳纤维复合材料。
经过多年的 使用 验证， 环氧树脂基体具有综合性能优异、工艺性良好、价格低等诸多优点。
为了提高先 进树脂基复 合 材 料 的 使 用 性 能， 在 环 氧（ＥＰ）
的 基 础 上， 研 究 人 员 开 发 出 了 双 马 来 亚 胺
加工工艺材料研究 《新技术新工艺》加工工艺与材料研究７７ （ＢＭ Ｉ）
基和耐高温聚酰亚胺（Ｐ Ｉ）
基等复合材料。
与此同时， 先进树脂基复合材料的 成形技术也得到了发展。
表１ 是一些常用的树脂基复合材料成型技术特点和应用 。表１ 树脂基复合材料的成型技术成型技术特点和应用热压罐／真空袋 适于各种大尺寸、形状和结构复杂的 复合材料构件制备， 如整体厚壁板、加筋壁板、 双曲 度加筋壁板、骨架和蒙皮的整体结构等纤维缠绕 适于各种复合材料管材， 旋转体形状复合材料构件， 如火箭发动机壳 体、 各种 压力 瓶、 雷 达罩、小型火箭等ＲＴＭ 适于制 造各种精度要求高、 内 外表面光滑、 不希望再加工的 制 件， 如 高性能机头雷达罩、 各种形状的复合材料构件模压 机械化 程 度 高、 生 产 效 率 高、 制 件 重 现 性 好。适于制造尺寸精确、表面光洁、 无毛边、 不希望进行再加工的中小型制件和先进热塑性复合材料拉挤 连续生产、 效率高、 制 品 长度不受 限制。
适于制备断面复杂、 厚度可变但宽 度不变， 或断面形状可变但断面面积不变的 制 品 及各种 复合材料型材。
产品具有较明显的方向性２．２ 金属基复合材料航空航天领域所用到的金属基复合材料主要是指以 Ａ ｌ、Ｍｇ、Ｔ ｉ 等轻金属为基体， 以高强度的第二相为增强体的复合材料。
这类材料具有优良的导电性能、导热性能、耐高温性能、横向性能、低消耗和优良的可加工性能。
尤其是纤维增强钛基复合材料，是先进航空承力 部件的候选材料。
凭借密度小、 比刚度和比强度高、耐温性好等优点， 碳化硅纤维增强的钛基复合材料在压气机叶片、整体叶环、盘、轴、机匣、传动杆等部件上已经得到了广泛应用 。２．３ 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料使陶瓷材料的韧性大大改善，同时其强度、模量有了 提高。
目 前连续纤维增强陶瓷基复合材料是一个主要的发展方向， 它具有密度小、比模量高、比强度高、 热机械性能和抗热振冲击性能好等一系列优点， 且具有更高的断裂韧性及断裂功、完全的非脆性破坏形式、优异的耐烧蚀性能或者绝热性能， 是未来航天科技发展的 关键支撑材料之一， 如 碳 纤 维 增 强 陶 瓷 （Ｃｆ／Ｓ ｉ３Ｎ４、Ｃｆ／Ｓ ｉＣ、Ｃｆ／Ｓ ｉＯ２、Ｃｆ／Ａ ｌ２Ｏ３）， 以 及 陶 瓷 纤 维 增 强 陶 瓷 （Ｓ ｉＣｆ／Ｓ ｉＯ２、Ｓ ｉＣｆ／Ｓ ｉＯ２、Ａ ｌ２Ｏ３ｆ／Ｓ ｉＯ２）
等。２．４ 碳／碳复合材料碳／碳复合材料是以碳为基体， 由碳纤维或其制品（碳毡或碳布）
增强的一种复合材料。
它兼有碳的惰性和碳纤维的高强度， 具有热膨胀系数小、热导率较低、抗热冲击性能好、耐烧蚀性好和耐含固体微粒燃气的冲刷等一系列的优异性能， 而且其质轻， 比强度和比弹性模量都很高， 更重要的 是这种材料在惰性环境下随着温度的升高（可达２ ２００ ℃）
其强度不降低， 甚至比室温条件下还高， 这些都是其他材料无法比拟的。制备碳／碳复合材料最关键的 技术是坯体致密化， 碳／碳复合材料的致密工艺一般采用化学气相渗透（ＣＶ Ｉ）
或者液态树脂沥青浸渍、 碳化的 方法。
碳化的方法有中压碳化和高压碳化， 高温处理方法有充气保护石墨化和真空石墨化。
以上的这些方法可以交叉使用和循环使用 ， 从而达到 预定的致密化的密度指标。３ 先进复合材料在航空航天领域的应用３．１ 在大飞机上的应用空中客车Ａ ３８０（Ａ ｉ ｒｂｕ ｓ Ａ ３８０）
是欧洲空中客车工业公司研制 生产的４ 台 发动机、５５０ 座级超大型远程宽体客机， 是目 前世界上最大的飞机。
飞机质量２５％的部件由先进复合材料制造， 其中２２％为碳纤维增强塑料（ＣＦＲＰ），３％为首次用于民用 飞机的铝合金 和 玻 璃 纤 维 超 混 杂 复 合 材 料 的 层 状 结 构（ＧＬＡＲＥ 纤维－金属板）。Ａ ３８０ 的碳纤维复合材料构件包括襟翼、 副 翼、梁、后隔 板、 舱壁、 地板梁、 前缘、 中 央机翼盒、 机身段、垂直稳定翼等。
与此同 时， 在 Ａ ３８０ 的机身上部采用 了 ＧＬＡＲＥ 交替层压而成， 我国又称之为超混杂复合材料。
ＧＬＡＲＥ 层板与相应的铝合金比可减重２５％～３０％， 提高抗疲劳寿命１０～１５ 倍， 效果可观。
图１ 所示为ＧＬＡＲＥ 层板示意图。图１ ＧＬＡＲＥ 层板示意图由 于 ＣＦＲＰ 明 显减重以及在使用 中 不会因 疲劳或腐蚀受损， 大大减少了油耗和排放， 燃油的经济性比其直接竞争机型低１３％左 右， 降 低了 运营 成本， 每英里成 本比 目 前效率 最高 的 飞 机低１５％ ～
新技术新工艺 ２０１２ 年 第９ 期 ７８ 《新技术新工艺》加工工艺与材料研究２０％， 成为第１ 个每位 乘客每 百 公里耗油 少 于３Ｌ的远程客机。Ｂ ７８７ 又称为“梦想客机”， 是波音公司１９９０ 年启动波音７７７ 计划后１４ 年来推出 的首款全新机型，２００９ 年１２ 月１５ 日 成功试飞，２０１０ 年交付使用 。
对Ｂ ７８７ 除了采用 新型的 发动机和创 新的 流线型机翼设计外， 在其主体结构（包括机翼和机身）
上大量采用先进的复合材料， 先进复合材料在Ｂ ７８７ 的 用 量高达５０％。
表２ 为Ｂ ７８７ 所使用的材料比例。表２ Ｂ ７８７ 使用 的材料比例（％）复合材料铝合金钛合金钢其他５０ ２０ １５ １０ ５ Ｂ ７８７ 比目 前同 类飞机燃油 消 耗节省２０％， 它的低燃料消耗、高巡航速度、高效益及舒适的客舱环境， 可实现更多的点对点不经停直飞航线， 这得益于大量采用先进复合材料。
例如波音Ｂ ７８７ 采用 碳纤维复合材料制造机翼和机身结构， 如图２ 所示。图２ Ｂ ７８７ 的机身段碳／碳复合材料具有耐高 温、 摩 擦磨损 性 能 优异、制动吸收能量大等特点， 是制造飞机制动装置的优异材料。
高性能制动材料要求高比热容、 高熔点以及高温下的强度， 碳／碳复合材料正好满足了这一要求， 制作的飞机制动盘质量轻、耐温高、比热容、比图３ Ａ ３８０ 的碳／碳制动盘钢高２． ５ 倍， 同 金 属 制动相 比， 可节 省４０％的结构质量。
碳制动盘的使用 寿命是金属 基的５～７ 倍， 制 动力 矩平稳，制动 时 噪 声 小， 因 此 碳制动盘的问世被认为是制动材料发展史上的 一次重大技术进步。
图３ 所示为 Ａ ３８０ 的制动盘。３．２ 在军用飞机上的应用先进复合材料在军用飞机上应用３０ 多年来， 已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件， 如垂直尾翼、 水平安定面、 方向 舵、 副翼、 前机身和机翼蒙皮等。
欧洲的 Ａ ４００Ｍ 属于新一代大型军用运输机， 在材料应用技术上有了新的飞跃， 主要表现为先进复合材料占结构质量的３５％～４０％。在Ａ ４００Ｍ 运输机上， 特别值得提出 的 是复合材料机翼， 碳纤维 复 合材 料 占 机 翼 结 构 质 量 比 例 高 达８５％， 开创了使用 复合材料为主要材料制造大型运输机机翼的先例。
采用 碳纤维制造的 机翼， 质量是同等强度铝合金机翼的７５％～８０％， 并且不会产生金属疲劳， 先进复合材料的 广泛应用 对于减轻结构质量相当有成效。美国在歼击机和战斗机上大量使用 复合材料：Ｆ－２２ 的结构质量系数为２７．８％， 先进复合材料的用量已达到２５％以上， 军用直升机用量达到５０％以上。
Ｈ３６０、Ｓ－７５、ＢＫ－１１７ 和 Ｖ－２２ 等直升机均大量采用了复合材料， 如顷转旋翼飞机 Ｖ－２２ 用 复合材料近３ ０００ ｋｇ， 占结构总 重的４５％左右， 法德合作研制的虎式武装直升机， 复合材料用 量更高达７７％。
一些先进树脂基复合材料具有比较好的雷达传输和介电透射特性， 当雷达波透射到这些树脂基复合材料时， 不容易 形成爬行的 电磁波， 因 此也被用做隐身材料。３．３ 在固体火箭上的应用固体火箭发动机是当今各种导弹武器的主要动力装置， 在航天领域也有广泛的 应用 。
计算结果表明， 固体火箭一、二、 三级发动机的 结构质量每减轻１ ｋｇ， 导弹射程相应地增加０．６、３、１６ ｋｍ 左右， 所以对壳体特别是末级发动机壳体进行结构减重是战略导弹总体设计师孜孜以求的 目 标， 而达到目 标最重要的技术途径之一就是采用先进的材料。固体火箭发动机壳体使用的材料经过了从高强度金属（超高强度钢、 钛合金等）
到 先进复合材料的演变。
采用碳纤维复合材料将大大减轻火箭和导弹的惰性质量， 既减轻发射质量， 又可节省发射费用或携带更重的 弹头或增加有效射程和 落点 精 度。
２０世纪６０ 年代初， 开始采用纤维缠绕成型的玻璃钢壳体取代钢壳， 如美国的潜地导弹“北极星Ａ－３”发动机玻璃钢壳体质量比“Ａ－１”的合金钢减轻了６０％，成本降低了６６％。
此后，“三叉戟１”、ＭＸ 的三级发动机壳体全部采用芳纶／环氧， 质量又比玻璃钢的同尺寸壳体减轻５０％。壳体材料在经历了合金钢 （如 Ｄ ６ＡＣ 等）、玻璃纤维／环氧、芳纶／环氧３ 代材料后， 进入了第４ 代碳纤维／环氧材料时代。
美国应用ＩＭ－７ 碳纤维研制成功“大力神－４”助推器、三叉戟Ｄ ５、侏儒导弹等碳纤维壳体， 制造固体发动机复合材料壳体通常使用
加工工艺材料研究 《新技术新工艺》加工工艺与材料研究７９ 缠绕成型工艺， 由 微机控制的自 动缠绕机将浸过树脂胶液的连续纤维粗纱或布带按照一定规律缠绕到与壳体内 腔尺寸相 同 的 芯模上， 然后加热固 化、 脱模， 即可制成壳体。
如图４ 所示为纤维缠绕的壳体。图４ 纤维缠绕壳体４ 结语我国 正在大力发展军用 飞机、 支线飞机以及大型商用客机等项目 ， 这些领域的发展急需先进复合材料的进步。
经过多年的发展， 我国 复合材料逐渐形成体系， 部分已经满足了 航空航天器型号的 技术要求， 但总体上与发达国 家还有一定的差距， 因 此，必须在复合材料的 关键技术上进行重点 研制 和 创新， 为国防和航天航空事业发展建立必要的 物质保证。参考文献［１］ 王恩青， 张斌． 复合材料在航空航天中 的 发展现状和未来展望［Ｊ］． 科技信息，２０１１，３３：２９０．［２］ 益小苏， 杜善义， 张立同， 等． 中国 材料工程大典：
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