先進復合材料在航空航天領域的應用

湯旭　李征　孫程陽

摘要：先進復合材料由于具有多功能性、經濟效益最大化、結構整體性、可設計性等眾多特點，在各個領域被廣泛推廣和利用，特別是在航空航天領域。文章分析了我國先進復合材料的發展現狀，對先進復合材料進行了簡介，分別針對先進復合材料在航空領域、航天領域的應用進行了綜述，最后探析了復合材料在航空航天領域的發展前景。

關鍵詞：先進復合材料；航空航天領域；飛船；衛星；火箭；飛機 文獻標識碼：A

中圖分類號：V257 文章編號：1009-2374（2016）13-0039-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.019

1 概述

現階段，我國航空航天事業得到前所未有的發展，航空航天領域對材料的要求不斷提升，為了滿足航空航天領域對材料性能的要求，應該研發新型、高性能的材料，先進復合材料應運而生，其具有多功能性、經濟效益最大化、結構整體性以及可設計性等眾多特點。將先進復合材料應用在航空航天領域，能夠有效地提高現代航空航天器的性能，減輕其質量。和傳統鋼、鋁材料相比，先進復合材料的應用，能夠減輕航天航空器結構重量的30%左右，在提高航空航天器性能的同時，還能降低制造和發射成本。現階段，先進復合材料已經成為飛船、衛星、火箭、飛機等現代航空航天器的理想材料，同時，先進復合材料已經和高分子材料、無機非金屬材料及金屬材料并列為四大材料。因此，文章針對先進復合材料在航空航天領域應用的研究具有重要的現實意義。

2 我國先進復合材料發展現狀

自20世紀70年代開始，我國就開始了對復合材料的研究工作，經過40多年的研究與發展，我國先進復合材料的技術水平不斷提高，并且取得了可喜的進步。現階段，我國先進復合材料在航空航天領域中的應用，逐漸實現了從次承力構件向主承力構件的轉變，被廣泛地推廣和應用在軍機、民機、航空發動機、新型驗證機和無人機、衛星和宇航器、導彈以及火箭等領域，即先進復合材料已經進入到實踐應用階段。但是，我國先進復合材料技術的發展和研究成果與國外發達國家的水平還具有一定的差距，現階段我國先進復合材料的設計理念、制備方法、加工設備、生產工藝以及應用規模等都相對落后。例如，我國軍用戰斗機中復合材料的用量低于國外先進戰斗機的復合材料用量，僅有少數的軍用戰斗機超過20%，例如J-20其復合材料的用量約為27%。我國成功研制的C919大型民用飛機，單架飛機的先進復合材料的用量超過16噸，標志著我國先進復合材料在航空航天領域的應用水平在不斷提高。

3 先進復合材料簡介

3.1 先進復合材料的組成

復合材料是由金屬、無機非金屬、有機高分子等若干種材料采用復合工藝組成的新興材料，先進復合材料不僅能夠保留原有組成材料的特點，還能夠對各種組成材料的優良性能進行綜合，各種材料性能的相互補充和關聯，能夠賦予新興復合材料無法比擬的優越性能。先進復合材料簡稱ACM，指的是碳纖維等高性能增強相增強的復合材料。先進復合材料的多種性能都優于普通鋼、鋁金屬材料，在航空航天領域的應用，能夠有效地減輕航空航天設備的重量，同時賦予航空航天設備特殊的性能，例如吸波、防熱等。

3.2 先進復合材料的特性

先進復合材料的特性主要表現為：

3.2.1 多功能性。先進復合材料經過多年的發展，結合了眾多優異的物理性能、力學性能、生物性能以及化學性能，例如防熱性能、阻燃性能、屏蔽性能、吸波性能、半導性能、超導性能等，并且不同的先進復合材料的組成不同，其功能性存在一定的差別，綜合性、多功能性復合材料已經成為先進復合材料發展的必然趨勢之一。

3.2.2 經濟效益最大化。先進復合材料在航空航天領域的應用，能夠減少產品部件數量。由于復雜部件的連接不需要進行鉚接、焊接，因此對連接部件的需求量降低，有效地減少了裝配材料成本、裝配和連接時間，進一步降低了成本。

3.2.3 結構整體性。先進復合材料可以加工成整體部件，即采用先進復合材料部件能夠替代若干金屬部件。某些特殊輪廓和表面復雜的部件，用金屬制造的可行性較低，采用先進復合材料能夠很好地滿足實際需求。

3.2.4 可設計性。采用樹脂、纖維、復合結構方式，能夠獲得不同形狀、不同性能的復合材料，例如選擇合適的材料、鋪層程序，能夠加工出膨脹系數為零的復合材料，并且復合材料的尺寸穩定性優于傳統金屬材料。

4 先進復合材料在航空領域的應用

傳統的飛機制造以鋼、鋁、鈦合金為主要材料，而傳統飛機上應用比例最大、構成輕質結構主體的鋁合金正在被越來越流行的復合材料所替代。我們所指的復合材料主要是以高性能纖維作為增強體，用樹脂作為基體將纖維粘結在內部并固化成型的高性能塑料。隨著復合材料的迅速發展和廣泛應用，當前先進的復合材料在飛機上的關鍵應用部位和用量的多少，已成為衡量飛機結構先進性的重要指標之一。由于碳纖維材料具有耐高溫、密度低、強度大等特點，目前在航空航天領域運用最為廣泛。與密度達到2.8g/cm3左右的鋁合金相比，先進的碳纖維復合材料密度一般在1.45～1.6g/cm3左右；而拉伸強度可以達到1.5GMPa以上，超過鋁合金部件的3倍，接近超高強度合金鋼制部件的水平。這種密度低、強度剛度高的優勢，使飛機的復合材料結構部件在獲得與先進鋁合金部件在強度剛度等綜合性能方面相當的水平時，重量可以大幅減少20%～30%。復合材料在飛機結構中的應用情況大致可以分為三個階段：第一階段是應用于受載不大的簡單零部件，可減重20%；第二階段是應用于承力大的部件，可減重25%～30%；第三階段是應用于復雜受力部位，如中機身段、中央翼盒等，可減重30%。復合材料主要用于制造航空器的外飾和內飾部件，如飛機的一次構造材料：主翼、尾翼、機體，二次構造材料，副翼、方向舵、升降舵、內裝材料、地板材、桁梁、剎車片等及直升飛機的葉片。根據統計，小型商務機和直升飛機的碳纖維復合材料用量已占55%左右，軍用飛機占25%左右，大型客機占20%左右。

4.1 軍機上的應用

為滿足新一代戰斗機對高機動性、超音速巡航及隱身的需求，20世紀90年代后，西方戰斗機全部大量采用復合材料結構。先進的復合材料也大大增加了軍用運輸機的有效載重，增大了軍用飛機的載油量，克服常規材料在高超聲速飛行器研制中存在的瓶頸問題。因此，先進復合材料被廣泛地應用在軍機上，例如，碳纖維增強樹脂基復合材料，在軍機主結構、次結構以及特殊部位等方面的應用，有效地提高了軍機的耐腐蝕性、抗疲勞性，同時還具有明顯的減重效果；再如，F22由于存在超聲速巡航需求，飛機外表面會長時間與空氣高速劇烈摩擦，因此在機翼復合材料上放棄了環氧基樹脂，而使用雙馬來酰亞胺樹脂基體以獲得260℃的最大工作溫度。

4.2 民機上的應用

民機和軍用飛機不同，民用飛機作為以載客飛行和運營為目的的交通工具，對安全可靠性和經濟性要求更加嚴格。復合材料在飛機上大量應用的時間還比較短，在對材料工藝穩定性和有關試驗數據尚不十分充分的情況下，應用較多含量的復合材料需要大量時間和實踐的積累。民航上的復合材料應用受限，使用分為兩類：結構件用復合材料、艙內材料。

以波音787為例，每架飛機的結構比例中有50%是重約35噸的復合材料，這意味著它從材料密度上就減輕了15噸左右的重量。而空客也不甘示弱，新的A350客機改名為A-350 XWB，XWB意為超寬機身，復合材料的比例達到了52%，是現在所有大型商用飛機中最高的。A-350XWB的機體比B-787還寬13cm。作為世界上僅有的兩個大型商用飛機研制巨頭，波音、空客先后推出復合材料占結構比例50%的主力型號，這意味著大型客機結構設計以復合材料為主要材料的時代已經拉開序幕。波音787等新一代復合材料飛機上實現的性能提升，并不僅僅是依靠低密度材料減重得來。實際上復合材料在工藝、結構力學設計上，都有著傳統金屬材料所完全無法比擬的優勢，比如復合材料可以做出超大尺寸的整體結構部件，而且尺寸大小不會隨著溫度高低而產生變化。

國產大飛機在復合材料的應用上還比較保守，公開的報道顯示，復合材料的使用量約占C919飛機結構重量的20%。飛機上使用的復合材料主要是碳纖維增強樹脂基復合材料，它們具有高耐腐蝕、質量輕等特點，在這些性能上的確要超過一般的金屬材料。通常復合材料的價格大約是常規鋁合金材料的幾十倍，即便是我們看起來已經很金貴的鋁鋰合金材料，其價格也比復合材料低得多，所以C919僅為波音737價格的1/2左右。

4.3 航空發動機上的應用

對于航空領域，特別是發動機的結構設計制造而言，高性能系統所需的輕質和耐高溫等特性越來越重要。航空發動機產業是指渦扇/渦噴發動機、渦軸/渦槳發動機和傳統傳動系統以及航空活塞發動機的集研發、生產、維修保障服務于一體化產業集群。新的材料和工藝不斷研發以應對新一代航空發動機的發展趨勢，尤其是先進復合材料的應用，GE-AEBG公司、惠普公司在制造飛機發動機零部件時都采用了先進復合材料，主要包括風扇出風道導流片、風扇罩、推力反向器等部位。先進復合材料在航空發動機上的應用具體表現在以下兩個方面：

4.3.1 陶瓷基復合材料的應用。陶瓷基復合材料是將碳化硅陶瓷纖維與碳化硅基底材料復合后，再涂覆一層專用涂層提升其性能，密度僅為金屬材料的三分之一。由于陶瓷基復合材料具有的耐高溫屬性，因此在發動機流道中使用空氣代替，在發動機高溫區只需要較少甚至不需要冷卻氣體，渦輪扇發動機大幅減重，意味著發動機運轉效率更高，提高了發動機的性能、耐久性、燃油經濟性和高推重比。F-35戰斗機使用的F135發動機是有史以來戰斗機上安裝過的推力最大的噴氣式發動機，F135使用了陶瓷基復合材料（CMC），主要用在F135-PW-600噴管的外側部分。

以GE航空集團為例，陶瓷基復合材料在GE航空集團的技術路線圖上是一條關鍵路徑。通用電氣航空集團將于2016年新建兩個復合材料制造廠，用于碳化硅和陶瓷基復合材料的批量制造，這兩種復合材料都是制造噴氣式發動機零部件的必備材料。GE公司是所有廠商中第一個決定使用CMC制造旋轉葉片的，通過把陶瓷基復合材料葉片安裝在發動機上試車，它們已經證明了旋轉CMC葉片的性能，這是一個重要的里程碑。

4.3.2 樹脂基復合材料的應用。樹脂基復合材料具有降噪能力強、耐腐蝕性強、耐疲勞能力好、比模量高、強度高等眾多優點。通過將樹脂基復合材料應用在航空發動機的冷端結構、反推力裝置以及發動機短艙等結構上，不僅能夠降低發動機的重量，還能夠提高發動機的耐腐蝕性、抗疲勞性以及強度等。例如，JTAGG驗證機的進氣機匣利用PMR15樹脂基復合材料，該種先進復合材料的應用比傳統鋁合金進氣機匣的重量降低了25%。

4.4 新型驗證機及無人機上的應用

現代戰爭理念的改變，使無人機倍受青睞，無人戰斗機是未來航空武器的一個重點發展方向。無人機除在情報、監視、偵察等信息化作戰中的特殊作用外，還能在突防、核戰、化學和生物武器戰爭中發揮有人軍機無法替代的作用。無人機的發展方向是飛行更高、更遠、更長，隱身性能更好，制造更加簡便快捷，成本更低等，其中關鍵技術之一就是大量采用復合材料，超輕超大復合材料結構技術是提高其續航能力、生存能力、可靠性和有效載荷能力的關鍵。和傳統的鋁合金混合結構相比，以復合材料為結構的無人機，例如“全球鷹”“捕食者”等無人機都采用先進復合材料。以“全球鷹”為例，該種無人機的機翼、尾翼都采用石墨/環氧復合材料，采用該種復合材料制造的無人機，和傳統鋁合金混合結構的重量相比降低了65%。再如，諾斯羅普·格魯門公司研發的X-47無人戰斗機，為了滿足生存力、機動性、隱身性能等特殊要求，該無人機除了接頭部位采用了少量的鋁合金外，幾乎整個機體都采用先進復合材料。依靠復合材料，設計師還可以做出傳統金屬材料所無法達成的氣動力學設計，比如超聲速飛行的前掠翼飛機。

5 先進復合材料在航天領域的應用

5.1 衛星和宇航器結構材料

衛星結構的質量會影響對運載火箭的要求以及衛星功能，衛星結構的輕型化設計已經成為衛星結構發展的趨勢之一。國際通訊衛星中心的推力桶采用先進復合材料，該種推力桶質量比傳統鋁結構的質量降低了30%左右，降低的重量可以增加460條電話線路，同時還能夠有效地降低衛星的發射費用。歐美國家衛星結構的質量為總質量的1/10，其原因就是大量的應用了先進復合材料。現階段，我國神州系列飛船、風云二號氣象衛星等都采用碳纖維/環氧復合材料，有效地降低了總體重量，同時發射成本也顯著降低。

5.2 導彈用結構材料

現階段，美國已經將先進復合材料作為導彈彈頭結構殼體、級間段、儀器艙等部件的主要材料，洛克希德導彈與宇航公司指出，采用碳纖維/環氧復合材料制造的導彈比傳統鋁結構導彈的重量減輕40%。現階段，采用先進復合材料的導彈發射筒也被國外發達國家應用在戰術、戰略型號上，例如，俄羅斯的“白楊M”導彈、美國的“MX”導彈都采用復合材料發射筒。因為先進復合材料導彈發射筒和傳統金屬結構相比，其結構質量顯著降低，能有效地提高戰略、戰術導彈的靈活性。在戰術導彈領域，先進復合材料結構的導彈發射筒更加靈活、應用范圍更加廣泛。現階段，我國也研發了先進復合材料結構的戰略導彈和導彈發射筒，還研發了先進復合材料儀器艙，有效地提高了戰略導彈的靈活性和機動性，應用效果良好。

5.3 運載火箭結構材料

國外發達國家于20世紀50年代開始應用纖維纏繞成型的玻璃鋼殼體代替傳統的鋼殼，例如，美國的“北極星A-3”潛地導彈，采用纖維纏繞成型的玻璃鋼殼體，其重量比采用傳統鋼殼的“A-1”輕了55%左右，隨后研發的“MX”“三叉戟1”的三級發動機殼體，全部都采用芳綸/環氧復合材料，該種結構形式的殼體質量比纖維纏繞成型玻璃體殼體的重量減輕了50%左右。隨著先進復合材料的發展，其在運載火箭發動機殼體中的應用優勢越來越明顯，并且先進復合材料被應用在三叉戟Ⅱ、德爾塔Ⅱ-7925運載火箭等型號中。現階段，我國運載火箭發動機殼體制造業逐漸的開始應用先進復合材料，雖然起步較晚，但是經過40多年的發展獲得了巨大的進步，經過多年的研發，已經成功地將芳綸/環氧復合材料、玻璃纖維/環氧復合材料應用在運載火箭發動機殼體中。先進復合材料在運載火箭結構設計中的應用，有效地降低了運載火箭發動機的重量，同時提高了運載火箭發動機的性能。

6 復合材料在航空航天領域的發展前景

先進復合材料的應用已經成為評價航空航天器水平的重要標準，同時也是提高航空航天器結構先進性的重要物質基礎和先導技術。由于我國先進復合材料的應用水平和國外發達國家還存在一定的差距，但是我國已經進行大量投入來強化先進復合材料方面的研究，其發展前景良好。未來先進復合材料的發展主要表現在以下四個方面：

6.1 智能化

智能型先進復合材料和結構的研究，能夠創造巨大的經濟效益和社會效益，智能型先進復合材料在航空航天器外表的應用：在未來航空器表面增加各種傳感器，能夠對周圍環境進行實時、全面、智能的檢測，同時為通訊系統、電子戰以及雷達系統提供瞬時模態，以此保證航空器能夠安全、穩定地飛行。

6.2 多功能化

在減小航空航天器體積的基礎上，為了提高航空航天器的突防能力，許多結構部件需要具備多種功能，多功能先進復合材料的應用能夠賦予航空航天器新的功能，現階段，多功能先進復合材料的研究已經從雙功能型向三功能型方向轉變。

6.3 質量輕、性能高

目前，我國先進復合材料能夠減輕航空航天器的質量占總重的20%左右，和國外25%以上的減重效率還存在一定的差距。導致該種現狀的原因是我國先進復合材料的整體性能較低，并且結構的整體性相對較差。因此，在未來的發展過程中，應該加強對復合材料強度、韌性以及整體性等方面的研究，研發整體性好、強度高和韌性高的先進復合材料，同時使復合材料的減重率超過25%。

6.4 低成本

成本較高是限制先進復合材料在航空航天領域應用和發展的主要原因之一，為了解決該問題，應該對先進復合材料的制造工藝進行研究，采用科學的制造工藝進行先進復合材料結構、尺寸以及形狀的加工和制造，同時采用先進的質量控制技術、自動化技術、機械化技術等，提高先進復合材料的生產效率，提高其成品率，以此降低先進復合材料的成本。

7 結語

綜上所述，經過40多年的發展，我國先進復合材料工業逐漸形成了一個完整的體系，并且部分先進復合材料已經成功地應用在航空航天器生產實踐中，獲得了良好的效果。但是，從整體上來說我國先進復合材料技術水平和發達國家還存在一定的差距。因此，我國先進復合材料研究、研發人員和生產企業應該加快先進復合材料結構、制造技術、生產工藝等方面的研究，同時借鑒國外的先進技術和經驗，解決我國先進復合材料在航空航天領域應用的各種難題，以此提高我國航空航天器的各種性能，進一步促進我國航空航天領域的全面、高速發展。

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（責任編輯：蔣建華）