航空航天復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景探究

胡亦安

摘 要：先進(jìn)復(fù)合材料具有高性能、多功能和智能化的特點。由于其可塑性強，質(zhì)量輕，現(xiàn)已被大量運用到航空航天、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、建筑等行業(yè)。文章簡要分析我國先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀，綜述航空航天材料的應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r，最后探析復(fù)合材料在航空領(lǐng)域內(nèi)的未來發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：航空航天；復(fù)合材料；發(fā)展現(xiàn)狀；前景探究

復(fù)合材料與金屬、高聚物、陶瓷并稱為四大材料。一個國家的復(fù)合材料工業(yè)水平，是衡量該國家和地區(qū)科技與經(jīng)濟(jì)實力的重要標(biāo)志之一。新中國成立以來，我國航空航天事業(yè)飛速發(fā)展，對航空航天材料提出更多新要求。為更好地滿足現(xiàn)有航天航空材料發(fā)展要求，要進(jìn)一步加快研發(fā)新性能、高質(zhì)量的復(fù)合型材料，使我國航空航天復(fù)合材料的研發(fā)在世界競爭中占有一席之地。

1 當(dāng)前我國先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀

我國從20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行復(fù)合材料研究工作，經(jīng)過40年的發(fā)展，我國的先進(jìn)復(fù)合材料科技水平不斷提升，取得了令世人矚目的成績。隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)更新，樹脂與玻璃纖維的使用技術(shù)也在持續(xù)發(fā)展，部分生產(chǎn)廠家為適應(yīng)產(chǎn)品需求不斷提升自身的生產(chǎn)能力，讓部分復(fù)合材料的價格成本被業(yè)內(nèi)同行接受。但由于玻璃纖維的符合強度還不能媲美金屬。因而碳纖維、硼纖維等也開始逐步應(yīng)用和普及，完善高分子復(fù)合材料家族，并逐步成為部分產(chǎn)業(yè)必備的材料。世界范圍內(nèi)復(fù)合材料年均產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到550萬噸，其中年均產(chǎn)值是1300億美元。若將這些復(fù)合材料應(yīng)用到軍事領(lǐng)域內(nèi)，其產(chǎn)生的價值將無法估量。

先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域內(nèi)開始大規(guī)模應(yīng)用，逐步從次承力構(gòu)件進(jìn)入到主承力構(gòu)件，這些復(fù)合材料多應(yīng)用在軍用飛機(jī)、民用飛機(jī)和航空發(fā)動機(jī)。雖然我國在復(fù)合材料生產(chǎn)研發(fā)上已取得成績，但相較于國外先進(jìn)水平還有一定的差距。我國現(xiàn)有的復(fù)合材料無論從工藝、設(shè)備還是制備方法上，都與國外同類產(chǎn)品。特別軍用戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國外先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料的使用總量。能超過這一總量的軍用戰(zhàn)斗機(jī)其整體用量只能控制在20%左右，比如J-20復(fù)合材料的總用量是27%。我國成功研制的大型民用飛機(jī)其復(fù)合材料使用概率能達(dá)到16%，通過上述可查數(shù)據(jù)能獲悉我國使用先進(jìn)符合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用價值正在逐步呈現(xiàn)上升態(tài)勢。

2 先進(jìn)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 軍機(jī)上的應(yīng)用

為讓新一代戰(zhàn)斗機(jī)的性能持續(xù)提升，且滿足超音速的巡航與隱身要求。90年代后期，西方的戰(zhàn)斗機(jī)全部運用復(fù)合材料構(gòu)造機(jī)身。運用先進(jìn)復(fù)合材料能加大軍用運輸及的栽種量，提升軍用飛機(jī)能攜帶的油量，克服常規(guī)材料在超高音速飛行器研制中油攜帶存有的瓶頸問題。因而，就要讓先進(jìn)的復(fù)合材料廣泛的使用在軍用飛機(jī)上面，就要使用符合其使用性能的材料。如，比較常用的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料，這一材料就應(yīng)使用在軍用飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)、次要結(jié)構(gòu)和特殊部位等，不但能提升軍用飛機(jī)的抗腐蝕性，更能帶動其抗疲勞性，減輕整體機(jī)身的重量，提升飛行的高效性。如：F22存有超聲波速巡航需要，因而飛機(jī)的外層表面要時刻與空氣產(chǎn)生摩擦，大量的空氣摩擦產(chǎn)生熱力，若材料不能適應(yīng)會引發(fā)小范圍的磨損并伴有火花，嚴(yán)重威脅飛行安全。為此就應(yīng)在機(jī)翼復(fù)合材料上使用新型的復(fù)合材料，常用的材料是雙馬來酰亞胺樹脂基體材料，該材料能承受260度的最大工作溫度。

2.2 民機(jī)上的應(yīng)用

民用飛機(jī)與軍用飛機(jī)在使用性能上存有本質(zhì)不同，民用飛機(jī)主要的職能是載客，通過運營獲取利益，商業(yè)成分更多，因而更重視飛機(jī)的安全和舒適性。所以使用常規(guī)材料就能滿足民用飛機(jī)的使用性能要求。復(fù)合材料應(yīng)用在飛機(jī)上的時間尚短，有關(guān)民用飛機(jī)材料工藝穩(wěn)定性試驗的數(shù)據(jù)不慎明確，故需要時間檢驗民用飛機(jī)上的復(fù)合材料使用狀況。在民用航空上復(fù)合材料的使用限制因素較多，可詳細(xì)的劃分為兩大類，結(jié)構(gòu)件復(fù)合材料使用和機(jī)艙內(nèi)復(fù)合材料使用。

就波音787為例進(jìn)行探究，每一架波音787飛機(jī)其結(jié)構(gòu)比例中存有大概50%噸的復(fù)合性材料，這說明如果從材料密度考慮能節(jié)約15噸的重量。空客也在這個過程中發(fā)揮自己的優(yōu)勢，其中就改名的A-350為例，其超寬的機(jī)身，所使用的復(fù)合材料占比能夠達(dá)到52%，這是現(xiàn)有商用科技中占比最高的機(jī)型。

A-350xwb的機(jī)體寬度要大于B-78713cm，這兩個機(jī)體是世界上僅有的大型商用機(jī)巨頭，兩家都先后推出復(fù)合材料，其總占比能達(dá)到50%，這就表明大型客機(jī)的結(jié)構(gòu)材料設(shè)計要以復(fù)合材料為主。波音787等新一代復(fù)合材料在飛機(jī)上為更好的體現(xiàn)其性能，依靠運用低密度材料減輕機(jī)體重量是一方面，更要在工藝、結(jié)構(gòu)力學(xué)上做好復(fù)合材料的設(shè)計與護(hù)理，由于使用復(fù)合材料存有較大的優(yōu)勢，如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計上處理的好，讓其優(yōu)勢發(fā)揮的更加明顯，做出符合標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)部件。由于其性能穩(wěn)定，所以整體結(jié)構(gòu)不會隨溫度產(chǎn)生較大的尺寸變化。

國產(chǎn)的飛機(jī)在復(fù)合材料使用上比較保守，通過公開報道顯示，復(fù)合材料使用總量能占整個飛機(jī)總量的20%左右。飛機(jī)上經(jīng)常運用的復(fù)合材質(zhì)是碳纖維樹脂基復(fù)合材料，整體性能穩(wěn)定，能承受高溫腐蝕，質(zhì)量偏輕。因而其性能優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過于常規(guī)材料，由于復(fù)合材料價格占整個鋁合金材料的十幾倍以上，所以有些部分復(fù)合材料價格昂貴。

3 復(fù)合材料在航空領(lǐng)域中的發(fā)展前景

航空器水平的高低主要與先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用狀況聯(lián)系密切，且復(fù)合材料的使用是航空器發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)性技術(shù)。我國先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用水平相較于國外存有差距。基于此，我國已經(jīng)加大重視力度，加快相關(guān)領(lǐng)域的研究，當(dāng)前整體收效較好。

3.1 智能化

復(fù)合材料的研究需滿足智能化需求，智能型復(fù)合材料可廣泛的應(yīng)用在航空航天器的外表面。要求在未來一段時間內(nèi)，在航空器的表面加設(shè)各類傳感裝置，實時監(jiān)控周邊環(huán)境，并運用通訊、電子等系統(tǒng)，保障航空器在一定環(huán)境內(nèi)的平穩(wěn)運行。

3.2 多功能化

為減少航空航天器的整體體積，就應(yīng)想盡一切辦法提升航空航天器的預(yù)防能力，部分結(jié)構(gòu)部件也應(yīng)多項功能，通過應(yīng)用多功能復(fù)合材料為航空航天器的新型功能賦予更多的意義。從現(xiàn)階段考慮，多功能的復(fù)合材料研究已從雙向功能逐步轉(zhuǎn)化為三向功能。

3.3 質(zhì)量輕、性能高

使用先進(jìn)的復(fù)合材料能減輕航空航天材料中的總質(zhì)量比，雖然我國航空材料占比已達(dá)到20%，但與國外的25%占比相比還存有差距。我國的復(fù)合材料整體性能偏低，結(jié)構(gòu)性能偏差。在未來發(fā)展中，需強化復(fù)合材料的強度和韌度，以期在整體研究方面提出新的要求。研發(fā)中要求研究整體性能好，強度高和韌度強的新型復(fù)合型材料，讓復(fù)合材料的總體減重比小于25%。

3.4 低成本

目前航空航天發(fā)展中復(fù)合材料使用中存在有的最大限制性因素是成本偏高。為解決這一問題，需著重研究復(fù)合材料的制造工藝，并運用科學(xué)合理的制造工藝制造和加工符合材料的結(jié)構(gòu)與尺寸。運用先進(jìn)的控制技術(shù)，開展自動化的控制模式，提升符合材料的生產(chǎn)效率。這不但能提升復(fù)合材料的成品效率，更能降低復(fù)合材料的造價成本。

綜上所述，歷經(jīng)40年的發(fā)展，我國的先進(jìn)復(fù)合材料工業(yè)體系日趨完整，并已經(jīng)成功進(jìn)入到航空航天生產(chǎn)實踐內(nèi)。但通過資料和數(shù)據(jù)對比獲悉，在加快發(fā)展中還與世界先進(jìn)水平存有差距，作為一名高中學(xué)生，我要努力學(xué)習(xí)相關(guān)文化知識，力爭學(xué)成以后在復(fù)合材料的制造、設(shè)計與工藝方面改進(jìn)方面貢獻(xiàn)自身力量。

參考文獻(xiàn)

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