航天制造中高性能非金屬復合材料的應用分析

周 賀 ，陳 智 ，畢 軒 ，孫 晶 ，欒 超 ，陳東凱

（首都航天機械有限公司，北京 100000）

0 引言

在材料領域，航天使用的材料代表著國內最優質性能的材料以及理論技術，引領著時代的潮流。20世紀70年代，中國航天工業開始蓬勃發展，尤其是到了20世紀80年代和21世紀，各項航天技術壁壘不斷被突破，航天制造工業又邁上了新的臺階。新型材料、更加復雜的航天器外形、更為惡劣的產品工況、更輕的重量、越來越高的強度要求，這些新的要求使得對航天產品的主體材料的要求也越來越高。

復合材料是一種由兩種或者兩種以上化學和物理性質不同的材料組分，以預先設計的比例、形式、分布組合而成的一種人工合成材料。復合材料具有許多優點，有著更高的比強度，更高的比模量，更好的耐疲勞性以及優質的減震性。復合材料通過合理的設計以及適當的工藝制造可以有效地增加航天器的載荷并降低其質量，在航天器制造領域應用十分廣泛。

以基體材料的不同進行分類，復合材料可分為金屬復合材料和非金屬復合材料。其中非金屬復合材料又可細分為合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨等不同的種類。在航天制造領域中，以合成樹脂、陶瓷作為基體的復合材料使用非常廣泛，有著很大的研究價值。

1 樹脂基復合材料

合成樹脂基復合材料是以有機聚合物作為基體進行加工制造的纖維增強材料。世界公認的三大高性能纖維材料均為樹脂基復合材料，分別為碳纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維。此外，國內也針對樹脂基高性能纖維材料進行了大量的研究，制造出了玄武巖纖維、聚苯硫醚纖維、聚酰亞胺纖維、聚對苯撐苯并雙噁唑纖維、聚四氟乙烯纖維和高性能玻璃纖維等，極大地拓展了高性能纖維在國內的應用與發展。樹脂基復合材料在航空航天、汽車制造、海洋工業等領域有著廣泛的應用。

1.1 碳纖維

作為一種新型復合材料，碳纖維材料的含碳量在95%以上，不僅擁有碳材料的耐高溫性、抗腐蝕性、耐疲勞性、抗蠕變性以及高強度、低密度、大模量等基體材料的固有特性，還具有柔軟的可加工性[1]。碳纖維主要性能指標如表1所示。

表1 碳纖維主要性能指標

在碳纖維的發展過程中，強度與彈性模量的兼顧成為該材料的研究難點之一。國內外學者對碳纖維加工制造設備不斷地進行研究與試驗，生產出塔姆式電阻爐[2]、感應爐[3]、射頻爐[4]、等離子爐[5]等。其中已形成規模化與產業化的塔姆式電阻爐與射頻爐已成為國內外普遍使用的碳纖維石墨化設備。以具體的碳纖維材料為例，國內的高性能碳纖維產品逐漸由T700發展到了T1000甚至T1100，而T1000碳纖維材料已實現規模化生產[6-11]。相比于國外的T1000碳纖維，國產的T1000碳纖維的原絲與復絲力學性能、表面性能、單向板及NOL環力學性能承壓能力均略低，但各項性能參數相差不大[12]。國內的碳纖維材料的技術與國外仍舊有一定的差距，但是差距在不斷縮小，在今后的發展中依舊有著廣闊的發展前景。

1.2 芳綸纖維

芳綸纖維是芳香族聚酰胺纖維的簡稱，是由芳香基團和酰胺基團連接而組成的線性聚合物。根據結構進行分類可分為對位芳綸（PPTA）、間位芳綸（PMIA）、鄰位芳綸。

芳綸纖維密度約為1.44 g/cm3，與碳纖維、玻璃纖維相比分別低20%和40%左右，質量約為鋼絲的五分之一，但是強度卻為鋼絲的6～7倍。此外，芳綸纖維有著較低的線膨脹系數、優異的沖擊強度、較高的比彈性模量。耐高溫、耐低溫、抗蠕變性能強、抗腐蝕性能強也是芳綸纖維材料顯著的優點。但是抗壓縮強度不高、剪切強度較低、耐磨性較差以及受紫外線和可見光影響較大等缺點也使得芳綸纖維材料在使用時具有一定的局限性[13]。

由于優良的物理與化學性能，芳綸纖維在航天航空、建筑材料、電氣電子領域有著廣泛的應用。在航天方面使用該復合材料后可在保證強度性能的前提下，大大減輕整體重量。

1.3 超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維又名超高模聚乙烯纖維或伸長鏈聚乙烯纖維[14]。該材料有著良好的機械性能，具有耐紫外線輻射、耐化學腐蝕、密度低、強度高、抗剪模量高等優點，在航天航空結構件、船舶制造等領域有著廣泛的應用。

20世紀初，英國利茲大學的Capaccio和Ward研制出超高分子量聚乙烯纖維，這是超高分子量聚乙烯纖維在世界上首次亮相。之后，美國聯合信號公司于1988年將超高分子量聚乙烯纖維進行了商業化。國內學者經過多年的研究，在1999年申請了混合溶劑凝膠新加工工藝的專利，并于2000年在國內實現了產業化生產，其產品質量指標齊平世界水準。寧波大成研究人員也進行了超高分子量聚乙烯纖維的生產工藝改進，開創性地提出了雙螺桿擠壓均化技術、凍膠化處理和溶劑萃取技術以及多輥多組超倍牽伸技術，使得生產出的超高分子量聚乙烯纖維有著更好的性能[15]。

在航天制造領域，超高分子量聚乙烯纖維可在各類有需要的零件、設備中進行材料添加，作為加固補強的材料。添加該材料，可使得零件擁有更加優異的材料性能，并大大減輕重量，因此使用的范圍十分廣泛。

2 陶瓷基復合材料

陶瓷基復合材料是基于陶瓷材料發展而來的一種復合材料，其材料基體為陶瓷，并在陶瓷內部添加其他材料，使得整個復合材料兼具陶瓷與其他復合材料的特性[16]。根據陶瓷基復合材料自身晶體的組成方式、母基的大小差異可分為晶內型、晶間型、晶內-晶間混雜型和納米-納米型，具體結構如圖1至圖4所示。

圖1 晶內型

圖2 晶間型

圖3 晶內-晶間混雜型

圖4 納米-納米型

陶瓷基復合材料的優點和缺點都十分顯著，作為剛性材料，陶瓷基復合材料有極好的耐高溫性、耐磨性、耐腐蝕性、抗腐蝕性，以及很強的硬度和很輕的質量，這些優點正是航天制造領域十分需要的。導彈的頭錐、火箭的噴管、航天飛機的結構件等航天領域的關鍵部件使用的便是陶瓷基復合材料。但是也因其硬度很高導致陶瓷基復合材料的脆性很大，并且對裂紋、氣孔以及材料中的雜質等問題十分敏感[17]。

在目前研究階段，陶瓷基復合材料受限于韌性差的缺點，使用的范圍受到了很大的限制。但是由于其有著十分顯著的優點，陶瓷基復合材料應用前景十分寬廣。因此，關于陶瓷基復合材料，各學者與研究人員開始針對增強韌性以及致密化等方向進行陶瓷基材料的優化。

現階段，針對陶瓷的增韌技術有以下幾種方法。

1）陶瓷自增韌技術[18]。自增韌技術是一種能夠顯著提高陶瓷斷裂韌性的技術，通過控制不同的工藝參數來改變陶瓷晶粒的形貌，進而提高陶瓷增韌效果，是一種新興的技術。Tani等通過陶瓷自增韌技術制備的Y-Al系Si3N4陶瓷基復合材料可使原材料抗彎強度增加到550 MPa～900 MPa，斷裂韌度可增強到8 MPa～11 MPa。Luo等使用熱壓法制備了Y-La系Si3N4陶瓷基復合材料，使其室溫下的抗壓強度達到860 MPa～960 MPa，韌性增加到8.4 MPa～11.72 MPa。

2）晶粒和顆粒增韌技術[19-20]。近年來，晶粒和顆粒增韌技術是一個主要研究方向，通過改善顆粒的分布狀態，使其適用于陶瓷基體復合材料，使材料的力學性能得到改善。添加至陶瓷基復合材料中顆粒材料的數量、密度、分布均勻度以及顆粒的直徑都會對整體材料有著不同的影響，因此復合加工的工藝參數是一個很重要的研究方向。

日本的新原誥一等對納米顆粒復合相陶瓷進行研究，將該方向的研究成為國際范圍內的一股熱潮。該團隊將5%的0.3 μm的SiC顆粒加入氧化鋁陶瓷中，使該陶瓷復合材料的強度達到了1 GPa，并在常溫和1 000 ℃高溫情況下均可保證較高的強度值，同時該材料的斷裂韌性也提高至原來的145%。Wakai等在Si3N4中加入了20%的SiC顆粒，使陶瓷基復合材料的韌性在高溫情況下達到了普通陶瓷材料的1.5倍。

晶須與顆粒的添加對陶瓷材料都有著增強韌性的效果，其中添加晶須進行增韌效果好，但是晶須含量高時會導致材料致密度下降；顆粒增韌可以避免這一缺陷但是增韌效果較差。兩種方式進行融合是一種新的增韌技術發展方向。

3）ZrO2相變增韌技術。ZrO2相變增韌技術是相變增韌技術的一種，針對陶瓷復合材料的增韌效果非常好。ZrO2在由四方相轉為單斜相時，具有馬氏體相變的特征，并有3%～5%的體積膨脹，對陶瓷基復合材料的韌性與強度有著很大的影響。通過在陶瓷材料中加入一些穩定劑可以防止陶瓷在制備冷卻過程中出現因相變而導致的開裂現象，進而制備具有高韌度的陶瓷基復合材料。

3 小結

隨著材料科學的發展，各種新式的高強度復合材料性能逐漸增強，缺陷逐漸被彌補，在航天制造領域的使用越來越廣泛。然而現階段復合材料技術依舊有著很大的發展空間，各種材料依舊有著很大的局限性，需要根據不同的工況來進行選擇，并使用不同的工藝方法來進行加工制造。由于優異的理化性能，高性能非金屬復合材料有著很廣闊的發展前景，在后續的發展中將會是一個很重要的研究領域和研究方向。