淺談復合材料在航空航天領域中的應用

李喜志，柳 輝

（東方藍天鈦金科技有限公司，山東煙臺 264003）

0 引言

航空材料泛指被用于制造航空飛行器的材料，以飛機舉例，一架軍用飛機的核心包括機體、發動機、機載電子及火力控制四個部分，一架民用客機的核心則包括機體、發動機、機載電子和機艙四個部分。航空材料具有較高的質量要求，輕質高強度、高溫耐蝕和低成本等優勢材料才能真正在航空航天領域發揮出應有作用，未來航空材料將朝著高性能、高功能、復合化、智能化、低成本以及高環境相容性的方向發展。出于對航空飛行器運作過程中的安全問題考慮，關于航空結構材料選擇的特點優先考慮輕質、可靠及高強度，所以選用復合材料在航空航天領域中尤為重要[1]。

1 航空航天復合材料的組成

復合材料的出現是在傳統航空航天結構材料的基礎上，運用現代先進的科學技術研發，通過多次試驗而研制出來的較為高級的材料，是符合當前時代航空航天發展現狀的材料。隨著航空航天技術的變革而不斷開發和改進，復合材料始終對航空結構保持充足的原材料供給。目前對各國關于結構材料上的優劣判斷，往往依照航空航天結構所用材料來判定，復合材料的運用決定著一個國家航空結構技術的最高水平[2]。

2 復合材料在航空航天領域中的優勢

伴隨航空航天技術的不斷發展，航空結構原材料的來源開始了新的選擇，經過多種材料的運用比較，復合材料逐漸走進航空航天的研究領域，逐漸被全面運用。復合材料在飛機結構上的運用，有效減輕了飛機本身的重量，減少了結構的復雜性，使目前的航空航天技術更便捷地從理論變現到實踐中。復合材料以更加優越的綜合性能逐漸取代傳統結構材料在航空航天領域中的地位，成為目前航空結構應用最廣泛的材料，并且復合材料巨大的用量使其開始成為影響航空航天事業的一個重要因素。復合材料在航空結構上的用量目前接近20%左右，隨著時代的發展和航空航天技術的不斷更新，航空結構對復合材料的需求量持續擴大。在航天器的研發領域，復合材料逐漸被廣泛運用于航天器的制造、巡航導彈的部件制造等方面[3]。

3 復合材料在航空航天領域中的應用

3.1 纖維增強樹脂基復合材料

樹脂基復合材料是當前航空航天使用的主要復合材料之一，其在研發過程中在原有樹脂材料的基礎上加入芳綸纖維、碳纖維等纖維成分作為高級材料的增強劑，從而混合研制成的復合材料。相比傳統的鋼、鋁等結構材料，樹脂基復合材料具有重量更輕、強度更大等方面的材料優勢，正逐漸成為航空航天領域中復合材料的主流。樹脂基復合材料不僅可以用于航空結構部件的制作，還能夠在功能性部件的制作過程中起到重要作用，對提升其性能有極佳效果。

由于航空領域結構制作的特殊性，對樹脂基復合材料的要求仍然相對較高，不僅需要具有極強的耐熱性能，自身還需要具備極強的抗毀傷能力和應對不同天氣狀況的能力。就目前的形式，樹脂基復合材料也分為多種類型，如當前運用最多的樹脂基復合材料就是碳纖維樹脂基復合材料，相對于其他的復合材料更容易進行研制，且具有更加穩定的性能，因此成為了樹脂基復合材料中最常使用的一種材料[4]。

例如在航空工業制造過程中，樹脂基復合材料主要被運用于制造飛機機翼、機身、發動機外涵道等，還可以用來制作發動機噴管的燒蝕防熱材料和雷達天線罩等。如在A380 機型中，飛機的尾椎、平尾、非承壓機身、起落架艙門、中央翼盒、機翼等多種結構所用的復合材料都是來源于樹脂基復合材料，足以證明其在航空結構中的重要性。

3.2 金屬基復合材料

金屬基復合材料也是航空航天領域運用較為廣泛的一種復合材料，其以某一金屬最為基體，從中加入各種金屬元素，形成具有更穩定性能的金屬基復合材料。早期金屬基復合材料的研發過程中，大多試驗是以Al、Mg 等輕金屬為基體的復合材料，隨著研究范圍的發展以及科學技術的提升，更多的科學研究人員開始將金屬基復合材料的研究領域拓展到了碳化硅等復合材料的研究中。金屬基復合材料材料相比于其他的基體材料，具有低消耗、高收益以及優良的后續開發性和改造型的優勢，相比于人為強化的合金材料，具有更加強勁的性能，成為許多應用領域中的熱門之選。由于金屬基復合材料在我國的研發起步較晚，目前在航空航天領域并沒有大面積投入使用。

在未來的航空航天發展領域中，無人機的研發和材料選擇是一個至關重要的發展方向。無人機的主流趨勢是保證飛行機器飛行高度更高、時間更長、隱身效果更好，而要想提高無人機的效能、減少投入成本，復合材料的使用是一大關鍵要素。金屬基材料在運用過程中展現出較多的性能特性，對于一般的金屬材料具有更高的抗壓性、抗高溫性以及導電性，可以作為飛機上眾多的零部件構成材料。如將金屬基復合材料運用在無人機的機翼位置，相對于傳統的鋁合金結構，整體重量能夠減輕60%左右。利用復合材料，研究人員還能夠實現傳統金屬材料所難以企及的空氣動力學設計，使無人機的研究向前跨一大步[5]。

3.3 陶瓷基復合材料和碳復合材料

陶瓷基復合材料也是當前研究人員重點研究的航空航天材料，陶瓷基復合材料和碳復合材料的研究對于航空航天事業的發展有重要意義。在航空航天技術發展過程中，飛機上的各個設備都面臨高溫、高壓的影響，如果這些設備材料不能夠滿足設備要求，可能會影響整個飛機運行穩定性，而陶瓷復合基材料因為具有抗高溫的性能被應用于發動機部件領域。陶瓷基復合材料抗彎強度高、耐熱性強、比重小，能夠承受較高的熱浪沖擊。實際運用中，為了增強陶瓷復合基的韌性，保證復合基的使用質量，會在陶瓷復合基形成過程中加入一定量的纖維素，使陶瓷復合基具有一定的柔韌度，增強陶瓷復合基的使用性能。碳復合材料的耐熱性也比較好，兩者作為耐熱性的復合材料被研制成功，彌補了航空航天領域關于耐熱結構材料所欠缺的空白，成為未來軍事工業發展的重要基礎材料之一。

陶瓷復合材料和碳復合材料主要被用于制作飛機燃氣渦輪發動機噴嘴閥，因為其耐高溫的特性，是高溫發動機部件的不二之選。如在航空發動機的生產過程中，將陶瓷基復合材料運用于發動機的空氣流動通道中，可以減少發動機的冷卻過程甚至直接消除，從而大大降低渦輪扇發動機的重量，飛機發動機的效率也能夠提升到新的層次。相應地，發動機性能、耐磨損能力、持久能力以及燃油經濟性也能夠得到很大改善[6-8]。

4 總結

基于航空航天領域對于航空結構材料的選擇，未來可能會開發出更加節能、有效的新型高級材料，使復合材料朝著多功能、高強度、易回收以及高兼容性的方向發展。未來航空航天領域將在原材料、制備加工、監測評價以及維修等環節更加合理。雖然目前航空航天材料的研究依舊存在眾多不足，研究人員需要繼續加強對航空航天材料的研究，對其進行改造和改性，使其更加具有競爭性和合理性，以此推動我國材料科學技術和航空航天領域技術的發展。