復合材料在航空航天領域中的應用探究

劉偉 田治坤 楚天舒 劉波

摘 要：復合材料由于具有高強、輕質、性能可設計及穩定的化學性質等特點在航空航天領域應用十分廣泛。本文首先對復合材料進行概述，然后著重介紹了復合材料的特性及研究進展，以及其在軍機、民機和航天領域的應用情況。

關鍵詞：航空航天；復合材料；應用研究

中圖分類號：TB33 文獻標識碼：A

隨著國內外航空、航天產業的迅猛發展，對航空、航天用材料的使用性能要求也越來越高，單一的材料已經很難完全滿足其對材料綜合性能的要求，材料復合化成為新材料的重要發展方向，目前已經發展成為繼金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料后的第四大材料體系[ 1 ]。

復合材料是一種最具生命力的材料分支，它是新型材料的重要組成部分，隨著航空航天工業的發展，復合材料的用量已經成為飛機先進性評判的依據之一。在我國剛發布的《十三五國家科技創新規劃》中也多次提到了復合材料，它仍然是我國材料界的重點攻克方向。

1 復合材料概述

復合材料是指在基體中通過添加纖維、織物、晶須等高性能增強材料，經過特殊的材料復合工藝后，形成具有高比強度、高比模量、比重小及性能可設計等特點的新型材料。通常可以用樹脂、金屬與陶瓷等材料為基體，從宏觀或者微觀等不同的結構層次，將基體與增強體在空間復合形成復雜的新材料組合。由于復合材料是基體跟增強體通過特殊的材料復合工藝而成，其性能是其他普通材料所不能比擬的；同時由于其性能可設計，我們可以給它賦予防熱、吸波等特殊功能，拓寬了它的使用范圍。目前復合材料已經成為衛星、火箭、飛機、飛船等航空航天領域中的主流材料。

2 復合材料的特點及研究進展

復合材料根據基體的不同，可分為樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料和碳基復合材料。

2.1 樹脂基復合材料

樹脂基復合材料是指在樹脂基體中通過添加高性能的連續纖維增強材料，經過特殊的材料復合工藝制備而成。經常使用的纖維增強材料主要有碳纖維和其他高性能有機纖維，尤其碳纖維應用最為廣泛，環氧樹脂基碳纖維復合材料是其典型的代表。為了使樹脂基復合材料的使用性能進一步提高，目前，科研人員在環氧（EP）的基礎上，開發出了雙馬來亞胺（BMI）基和耐高溫聚酰亞胺（PI）基等復合材料。

2.2 金屬基復合材料

金屬基復合材料是指在鋁、鎂、鈦等輕質金屬中通過添加纖維、顆粒及晶須形式的高強第二相經復合而成。目前發展較為成熟的要數鋁、鎂、鈦基。增強體中以SiC的使用量占首位，遠高于其它復合材料，排名第二的則是Al2O3。金屬基復合材料作為先進航空航天承力部件的候選材料，主要用于制造飛機結構組件、推進系統組件和輔助系統組件及太空飛船中間機身的主框架、翼肋、前起落架等。

2.3 陶瓷基復合材料

陶瓷基復合材料主要是指以陶瓷為基體，通過添加各類纖維增強材料復合制備而成。它具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等一系列優異性能。目前連續纖維增強陶瓷基復合材料是一個主要的發展方向，由于它具有高強度、高韌性等特點，尤其是它具有與普通陶瓷不同的非失效性斷裂方式，這在世界各國引起了極大的關注。

航天航空、國防等領域已經開始廣泛應用連續纖維增強陶瓷基復合材料，陶瓷基復合材料已經成為未來航天航空科技發展的關鍵支撐材料之一。

2.4 碳基復合材料

碳基復合材料是一種以碳纖維（織物）或碳化硅等陶瓷纖維（織物）為增強體，以碳為基體的復合材料的總稱。它兼有碳的惰性和碳纖維的高強度，具有熱膨脹系數小、熱導率較低、抗熱沖擊性能好、耐燒蝕性好和耐含固體微粒燃氣的沖刷等一系列的優異性能，而且其質輕，比強度和比彈性模量都很高，更重要的是這種材料在惰性環境下隨著溫度的升高（可達2200℃）其強度不降低，甚至比室溫條件下還高，這些都是其他材料無法比擬的。目前，它在國內外已被公認為是高級載人飛行器鼻錐和固體火箭發動機噴管等關鍵部位最理想的耐燒蝕、防熱材料。它在工程應用也日趨成熟，已用于美國民兵Ⅲ洲際導彈彈頭，火箭發動機噴管，衛星，飛船等尖端科技領域。

3 復合材料在航空航天領域的應用

3.1 復合材料在軍機領域的應用

為了滿足新一代軍機對材料高性能的要求，尤其在超音速巡航及隱身等方面，各國加大了復合材料的研究力度，希望占領先進復合材料領域的制高點，獲得軍事應用與產業發展的先機。目前，復合材料所使用的比例越來越大。

2013年服役的A400M新一代大型軍用運輸機中先進復合材料占結構重量的35%～40%[ 2 ]，美國第4代殲擊機F-22，其樹脂基復合材料用量達25%，中國自主研發的殲-20戰機碳纖維復合材料用量高達30%，法德合作研制的虎式武裝直升機，復合材料在其機身結構材料中的用量達到45%；美國RAH-66輕型偵察攻擊直升機，復合材料在其機身結構材料中高達51%左右。先進復合材料的使用，不僅滿足了軍機對材料的各種特殊要求，而且降低了制造成本，還改進軍機的綜合作戰性能。

3.2 復合材料在民機領域的應用

民用飛機與軍用飛機在使用性能上存有本質不同，民用飛機主要的職能是載客，因而更重視飛機的安全和舒適性[ 3 ]。而復合材料作為一種新型結構材料，在對材料特性認識、保證工藝穩定的措施和有關試驗數據尚不十分充分的情況下，其發展經歷了較謹慎而又漫長的歷程。

目前民用飛機結構也正在一步一步地走向材料復合化，成為制造飛機的首選材料，在飛機結構中已高達50%以上[ 4 ]。復合材料在客機上的具體應用情況見表1。

3.3 先進復合材料在航天領域的應用

以高性能碳（石墨）纖維復合材料為典型代表的先進復合材料作為結構、功能或結構/功能一體化構件材料，在導彈、運載火箭和衛星飛行器上也發揮著不可替代的作用。其應用水平和規模已關系到武器裝備的跨越式提升和型號研制的成敗。碳纖維復合材料的發展推動了航天整體技術的發展。

碳纖維復合材料主要應用于導彈彈頭、彈體箭體和發動機殼體的結構部件和衛星主體結構承力件上，如我國神州系列飛船、風云二號氣象衛星，俄羅斯“白楊M”導彈、美國“MX”導彈的發射筒[ 5 ]，美國三叉戟-2導彈、日本M-5火箭的發動機殼體均采用了復合材料[ 6 ]。

4 結語

21世紀航空航天將進入新的發展時期，高水平的航空航天活動將更加頻繁，而復合材料是未來發展我國航空航天工程最有前途的材料。面對如此機遇，我國材料科研人員應借鑒國外的先進技術和經驗，同時進行自主研發和創新，重點突破先進復合材料的關鍵技術，為我國航空航天領域的全面、高速發展提供必要的物質保證。

參考文獻：

[1] 朱晉生，王卓，歐峰.先進復合材料在航空航天領域的應用[J].新技術新工藝，2012（9）：76-78.

[2] 吳良義.先進復合材料的應用擴展：航空、航天和民用航空先進復合材料的應用技術和市場預測[J].化工新型材料，2012，40（1）：4-7.

[3] 胡亦安.航空航天復合材料發展現狀及前景探究[J].科技創新，2016（34）：67-68.

[4] 徐逸豪.國外航空材料技術的應用現狀研究[J].技術與市場，2016，23（11）：130-131.

[5] 湯旭，李征，等.先進復合材料在航空航天領域的應用[J].中國高新技術企業，2016（13）：39-42.

[6] 唐見茂.航空航天復合材料發展現狀及前景[J].航空器環境工程，2013，30（4）：352-354.

作者簡介：

劉偉（1989-），男，湖南衡陽人，碩士，助教，主要從事航空材料和復合材料的研究。