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摘要：本文對(duì)纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進(jìn)行了綜合論述。簡要概述了纖維復(fù)合材料的特性，著重介紹了聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料以及碳/碳復(fù)合材料等的性能特點(diǎn)及其在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：纖維復(fù)合材料 航空航天 應(yīng)用 性能特點(diǎn)
1. 引言
隨著航空航天科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,促進(jìn)了新材料的飛速發(fā)展,其中尤以先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展最為突出。目前主要指有較高強(qiáng)度和模量的硼纖維、碳纖維、芳綸等增強(qiáng)的復(fù)合材料,耐高溫的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料,隱身復(fù)合材料,梯度功能復(fù)合材料等。【1】飛機(jī)和衛(wèi)星制造材料要求質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕,這些苛刻的條件,只有借助新材料技術(shù)才能解決。復(fù)合材料具有質(zhì)量輕,較高的比強(qiáng)度、比模量,較好的延展性,抗腐蝕、導(dǎo)熱、隔熱、隔音、減振、耐高(低)溫,獨(dú)特的耐燒蝕性、透電磁波,吸波隱蔽性、材料性能的可設(shè)計(jì)性、制備的靈活性和易加工性等特點(diǎn),是制造飛機(jī)、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。【2】
2. 纖維復(fù)合材料的特性
近年來，纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，這是由于它具有比強(qiáng)比模量高、抗疲勞性能好、減震性能優(yōu)良、高溫性能好、斷裂安全性高、耐腐蝕性能優(yōu)越等顯著優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)金屬等材料相比，顯示出較大的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在以下方面：
(1)可設(shè)計(jì)性和各向異性。復(fù)合材料的力學(xué)、機(jī)械及熱、聲、光、電、防腐、抗老化等性能都可按照構(gòu)件的使用或服役環(huán)境條件要求,通過組分材料的選擇和匹配以及界面控制等材料設(shè)計(jì)手段,最大限度地達(dá)到預(yù)期的目的,以滿足工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的使用性能,同時(shí)由于復(fù)合材料具有各向異性和非均勻性,可以通過合理的設(shè)計(jì)消除材料冗余,最大程度發(fā)揮材料及結(jié)構(gòu)的潛力和效率。【3】
(2)材料與結(jié)構(gòu)一體化。復(fù)合材料構(gòu)件與材料是同時(shí)形成的,一般不再由“復(fù)合材料,’加工成復(fù)合材料構(gòu)件,使之結(jié)構(gòu)的整體性好,大幅度減少零部件
和連接件數(shù)量,從而縮短加工周期,降低成本,提高可靠性。【4】
(3)復(fù)合效應(yīng)。復(fù)合材料是由各組分材料經(jīng)過復(fù)合工藝形成的,但它不是幾種材料簡單的混合,而是按照復(fù)合效應(yīng)形成的新的性能,這種復(fù)合效應(yīng)是復(fù)合材料僅有的,通過復(fù)合效應(yīng),復(fù)合材料可以克服單一材料的某種性能缺陷。
(4)多功能性和發(fā)展性。復(fù)合材料組成的多樣性和隨意性為復(fù)合材料具有除力學(xué)性能以外的許多功能(如聲、光、電、磁、熱等)創(chuàng)造了條件,使復(fù)合材料擁有吸波、透波、耐熱、防熱、隔熱、導(dǎo)電、記憶、阻尼、摩擦、阻燃、透析等功能;同時(shí)與其它先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合,如與納米技術(shù)結(jié)合發(fā)展的納米復(fù)合材料、與生物、醫(yī)學(xué)科學(xué)相結(jié)合發(fā)展的生物復(fù)合材料、與微機(jī)電、控制、傳感技術(shù)等相結(jié)合發(fā)展的智能復(fù)合材料等,賦予了先進(jìn)復(fù)合材料新的內(nèi)涵。【5】
隨著先進(jìn)復(fù)合材料研究、研制及應(yīng)用的不斷擴(kuò)大,其優(yōu)越性能越來越得到充分發(fā)揮和擴(kuò)大。
3. 纖維復(fù)合材料在航天工業(yè)中的研究發(fā)展
航空航天所用的先進(jìn)復(fù)合材料主要有聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和碳/碳復(fù)合材料等。【6】
3.1聚合物基復(fù)合材料
聚合物基復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中發(fā)展最早，研究最多，應(yīng)用最廣、規(guī)模最大。20世紀(jì)60年代的硼纖維和碳纖維增強(qiáng)塑料改善了玻璃纖維模量低的缺點(diǎn)，大量應(yīng)用與航天航空等領(lǐng)域；20世紀(jì)80年代初期熱固性樹脂復(fù)合材料基礎(chǔ)上產(chǎn)生的熱塑性復(fù)合材料完善了聚合物基復(fù)合材料的工藝及理論，在航天工業(yè)得到全面應(yīng)用。【7】聚合物基復(fù)合材料按基體的性質(zhì)可分為樹脂基體和橡膠彈性基體?，F(xiàn)在樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用最為廣泛。
樹脂基復(fù)合材料是以高性能樹脂為基體、高性能連續(xù)纖維等為增強(qiáng)材料，通過一定的復(fù)合工藝制備而成，具有明顯優(yōu)于原組分性能的一類新型材料。與傳統(tǒng)的鋼、鋁合金結(jié)構(gòu)材料相比，它的密度約為鋼的1/5，鋁合金的1/2，且比強(qiáng)度與比模量遠(yuǎn)高于后二者。
當(dāng)前，航空航天用先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料大都為碳纖維增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合材料，其中環(huán)氧樹脂占統(tǒng)治地位。高溫固化的環(huán)氧樹脂基體具有工藝性能好、綜合力學(xué)性能好和價(jià)格低等一系列優(yōu)點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)是耐濕熱性能較差。通過合成新型環(huán)氧樹脂，在環(huán)氧樹脂分子中增加憎水基團(tuán)以降低吸濕性；采用新的固化劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DDS和使用新型韌性改性劑等，獲得了具有良好耐濕熱性能，可在130℃以上作為承力結(jié)構(gòu)復(fù)合材料使用的高韌性環(huán)氧基復(fù)合材料。
雙馬來酰亞胺樹脂(BMI)樹脂的研究起步稍晚，但發(fā)展和應(yīng)用速度很快。它的耐濕性和耐熱性均優(yōu)于環(huán)氧樹脂，通過和多種化合物共聚和采用新型增韌劑增韌改型，目前己經(jīng)獲得了復(fù)合材料的沖擊后壓縮強(qiáng)度(CAI)值達(dá)296MPa,最高使用溫度達(dá)177℃BMI復(fù)合材料。【8】
高溫樹脂基體的開發(fā)工作主要集中于聚酰亞胺樹脂，其中最負(fù)盛名的是PMR-15樹脂，已在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。由于鈦合金稀缺，聚酰亞胺預(yù)浸帶正研究用來替代500℃以下的鈦合金。【9】
氰酸酯樹脂具有低吸濕率、高韌性、高介電性能(介電常數(shù)2.7- 3.2，介電損耗0.001-0.005)等特點(diǎn)，它是未來結(jié)構(gòu)功能一體化的優(yōu)選材料。美國Amber公司開發(fā)的C740阻燃氰酸乙酯樹脂系統(tǒng)與碳纖維組成的材料固化后的工作溫度可達(dá)344℃，可用作無人機(jī)S-100的尾噴管及發(fā)動(dòng)機(jī)。【10】
3.2 金屬基復(fù)合材料
航空航天領(lǐng)域所用到的金屬基復(fù)合材料主要是指以鋁、鎂、鈦等輕金屬為基體以高強(qiáng)度的第二相為增強(qiáng)體的復(fù)合材料。這類材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能、耐高溫性能、橫向性能、低消耗和優(yōu)良的可加工性能，尤其是纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，是先進(jìn)航空承力部件的候選材料。憑借密度小、比剛度和比強(qiáng)度高、耐溫性好等優(yōu)點(diǎn)，碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料在壓氣機(jī)葉片、整體葉環(huán)、盤、軸、機(jī)匣、傳動(dòng)桿等部件上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。【11】
3.3 陶瓷基復(fù)合材料
陶瓷基復(fù)合材料使陶瓷材料的韌性大大改善，同時(shí)其強(qiáng)度、模量有了提高。目前連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料是一個(gè)主要的發(fā)展方向，它具有密度小、比模量高、比強(qiáng)度高、熱機(jī)械性能和抗熱振沖擊性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，且具有更高的斷裂韌性及斷裂功、完全的非脆性破壞形式、優(yōu)異的耐燒蝕性能或者絕熱性能，是未來航天科技發(fā)展的關(guān)鍵支撐材料之一、如 碳纖維增強(qiáng)陶瓷以及陶瓷纖維增 強(qiáng)陶瓷等。【12】
3.4 碳/碳復(fù)合材料
碳纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材料是指用碳纖維來增強(qiáng)各種基質(zhì)碳的材料，簡稱碳/碳復(fù)合材料。碳/碳復(fù)合材料是一種極好的熱結(jié)構(gòu)材料，具有升華溫度高、力學(xué)性能好、抗熱振性能好、質(zhì)量輕、抗輻照、輻射系數(shù)比較高、對(duì)雷達(dá)和光的可見度小等優(yōu)點(diǎn)，主要用于航空航天領(lǐng)域。
4. 纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用
4.1聚合物基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用
聚合物基復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中已經(jīng)大量采用，以戰(zhàn)斗機(jī)為例，以應(yīng)用部位幾乎遍布飛機(jī)的機(jī)體，包括垂直尾翼，水平尾翼，機(jī)身蒙皮以及機(jī)翼的壁板和蒙皮等。先進(jìn)的F-22戰(zhàn)斗機(jī)樹脂基復(fù)合材料的用量為24%。民用飛機(jī)的應(yīng)用部位以次結(jié)構(gòu)以及飛機(jī)控制面為主。在主結(jié)構(gòu)方面，目前主要是高強(qiáng)中模量和T800H以上的碳纖維/高性能增韌聚合物基復(fù)合材料應(yīng)用于尾翼、機(jī)身等部件上。A380約25%由復(fù)合材料制造，其中22%由各種不同的增強(qiáng)型塑料復(fù)合材料制成，大部分是Hexcel公司和Cytec公司提供的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂(CFRP)。【13】其中，減速板、垂直和水平穩(wěn)定器（用作油箱）、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、後密封隔框、後壓力艙、後機(jī)身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。
聚合物基復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、航天器等重大工程系統(tǒng)以及其他地面設(shè)備配套件中都獲等了廣泛的應(yīng)用，如歐洲的“阿里安4”運(yùn)載火箭采用了大量的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。衛(wèi)星發(fā)射支架、儀器艙、大型整流罩、第一、二級(jí)之間的分離殼、助推器前錐和第二、三級(jí)級(jí)間段均采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制造而成。
自從玻璃鋼投入應(yīng)用以來，聚合物基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用中有三個(gè)值得一提的成果。第一個(gè)是：第一件是美國全部用碳纖維復(fù)合材料制成一架八座商用飛機(jī)--里爾芳2100號(hào)，并試飛成功，這架飛機(jī)僅重567kg，它以結(jié)構(gòu)小巧重量輕而稱奇于世。【14】第二件是采用大量先進(jìn)復(fù)合材料制成的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)，這架航天飛機(jī)用碳纖維/環(huán)氧樹脂制作長18.2m、寬4.6m的主貨艙門，用凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂制造各種壓力容器，用硼/鋁復(fù)合材料制造主機(jī)身隔框和翼梁。第三件是在波音-767大型客機(jī)上使用了先進(jìn)復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)，這架可載80人的客運(yùn)飛機(jī)使用碳纖維、有機(jī)纖維、玻璃纖維增強(qiáng)樹脂以及各種混雜纖維的復(fù)合材料制造了機(jī)翼前緣、壓力容器、引擎罩等構(gòu)件，不僅使飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量減輕，還提高了飛機(jī)的各種飛行性能。
4.2金屬基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用
金屬基復(fù)合材料除了和樹脂基復(fù)合材料同樣具有高強(qiáng)度、高模量外，它能耐高溫，同時(shí)不燃、不吸潮、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、抗輻射。是令人注目的航空航天用高溫材料，可用作飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱區(qū)和超音速飛機(jī)的表面材料。
金屬基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在鋁基復(fù)合材料和鈦基復(fù)合材料在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用。
鋁基復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，尤其以纖維增強(qiáng)基鋁基復(fù)合材料，以B/Al復(fù)合材料為例。早在20世紀(jì)70年代，美國就把B/Al復(fù)合材料用到航天飛機(jī)軌道器上，該軌道器的主骨架使用89種243根重150kg的B/Al管材制成，比原設(shè)計(jì)的鋁合金主骨架減輕145 看過，相當(dāng)于降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量約44%.美國還用B/Al復(fù)合材料制造了J-79和F-100發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片，制造了F-106、F-111飛機(jī)和衛(wèi)星構(gòu)件，減重效果達(dá)20%到60%。碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料常用于飛機(jī)構(gòu)件。【15】SiC纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可替代飛機(jī)結(jié)構(gòu)中100度到300度使用的鈦合金零件。氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可用于制造航空航天中某些設(shè)備和構(gòu)件。
纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的發(fā)展已有20年歷史，主要應(yīng)用于航空航天框架結(jié)構(gòu)以及渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。采用SCS-6/TiMMC替代耐熱鋼制成RB211制造壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片可以使壓氣機(jī)質(zhì)量減輕40%以上。哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)組的傳力架全用硼纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料制成。
4.3陶瓷基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用
陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件中的應(yīng)用比較多。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件中引入陶瓷基復(fù)合材料后，可以使熱端部件在高溫環(huán)境中工作，并降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻氣體流量 15%~25%，可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。
陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒上的應(yīng)用研究起步較早。早在 90 年代，GE 公司和 P&W 公司的EPM（Enabling Propulsion Materials）項(xiàng)目就已使用 SiCf SiC 陶瓷基復(fù)合材料制備燃燒室襯套，該襯套在 1 200℃環(huán)境下工作可以超過 10 000h。美國綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃用碳化硅基復(fù)合材料制備的火焰筒，已在具有 JTAGG（先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器計(jì)劃）第 I 階段溫度水平的 XTE65/2 驗(yàn)證機(jī)中被驗(yàn)證：在目標(biāo)油氣比下，燃燒室溫度分布系數(shù)低，具有更高的性能，可耐溫 2 700 ℉（1 480℃）。【16】
陶瓷基復(fù)合材料密度低、耐高溫，對(duì)減輕渦輪葉片重量和降低渦輪葉片冷氣量意義重大。目前，國外多家研究機(jī)構(gòu)已成功運(yùn)用陶瓷基復(fù)合材料制備出耐高溫的渦輪葉片。NASA Glenn 研究中心研制的 SiCf/SiC 渦輪葉片可使冷卻空氣流量減少 15%~25%，并通過在燃燒室出口氣流速度 60m/s、6 個(gè)大氣壓（約 600000Pa）和 1 200℃工作環(huán)境中的試驗(yàn)考核。【17】
目前，在一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)成功的將陶瓷基復(fù)合材料用于衛(wèi)星和導(dǎo)彈中，如作為高質(zhì)量比全C/C噴管的結(jié)構(gòu)支撐隔熱材料；小推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室-噴管材料等。此外，C/SiC頭錐和機(jī)翼前緣還成功地提高了航天飛機(jī)的熱防護(hù)性能。熔融石英基復(fù)合材料是一種優(yōu)良的防熱-介電透波材料，作為導(dǎo)彈的天線窗在中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈上具有不可取代的地位。
4.4碳/碳復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用
碳/碳復(fù)合材料首先作為抗燒蝕材料用于航天航空領(lǐng)域，如導(dǎo)彈鼻錐，火箭，導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管的喉襯、擴(kuò)展段、延長出口錐和導(dǎo)彈空氣舵等。
導(dǎo)彈、載人飛船、航天飛機(jī)等 ,在再入環(huán)境時(shí)飛行器頭部受到強(qiáng)激波， 對(duì)頭部產(chǎn)生很大的壓力，其最苛刻部位溫度可達(dá)2760℃,所以必須選擇能夠承受再入環(huán)境苛刻條件的材料。設(shè)計(jì)合理的鼻錐外形和選材，能使實(shí)際流入飛行器的能量僅為整個(gè)熱量1%～10%左右。三維編織的 C/ C復(fù)合材料，其石墨化后的熱導(dǎo)性足以滿足彈頭再入時(shí)由160 ℃至氣動(dòng)加熱至1700 ℃時(shí)的熱沖擊要求，可以預(yù)防彈頭鼻錐的熱應(yīng)力過大引起的整體破壞;其低密度可提高導(dǎo)彈彈頭射程，已在很多戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭上得到應(yīng)用。除了導(dǎo)彈的再入鼻錐，C/ C 復(fù)合材料還可作熱防護(hù)材料用于航天飛機(jī)。
C/ C 復(fù)合材料自上世紀(jì)70 年代首次作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(SRM) 喉襯飛行成功以來，極大地推動(dòng)了SRM噴管材料的發(fā)展。采用 C/ C 復(fù)合材料的喉襯、擴(kuò)張段、延伸出口錐，具有極低的燒蝕率和良好的燒蝕輪廓，可提高噴管效率1 %～3%,即可大大提高了SRM 的比沖。喉襯部一般采用多維編織的高密度瀝青基C/ C復(fù)合材料，增強(qiáng)體多為整體針刺碳?xì)帧⒍嘞蚓幙椀?/span>,并在表面涂覆SiC以提高抗氧化性和抗沖蝕能力。美國在此方面的應(yīng)用有：①“民兵2Ⅲ”導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)第三級(jí)的噴管喉襯材料； ②“北極星”A27 發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的收斂段；③MX 導(dǎo)彈第三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的可延伸出口錐(三維編織薄壁 C/ C 復(fù)合材料制品)。俄羅斯用在潛地導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管延伸錐(三維編織薄壁 C/ C復(fù)合材料制品) 。【18】
由于 C/ C 復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能，使之有可能成為工作溫度達(dá)1500～1700 ℃的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料,有著潛在的發(fā)展前景?！?/span>C/ C 復(fù)合材料在渦輪機(jī)及燃?xì)庀到y(tǒng) (已成功地用于燃燒室、導(dǎo)管、閥門) 中的靜止件和轉(zhuǎn)動(dòng)件方面有著潛在的應(yīng)用前景,例如用于葉片和活塞，可明顯減輕重量 ,提高燃燒室的溫度 ,大幅度提高熱效率。
C/ C 復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用的最成功范例是作為摩擦材料用于飛機(jī)剎車盤。目前世界上已有六十余種飛機(jī)采用了C/C剎車裝置，如空中客車公司所有的飛機(jī)都采用C/C剎車裝置，波音公司的B747-400和 B777都采用了C/C剎車裝置。軍用飛機(jī)基本上都采用C/C剎車裝置。使用C/C剎車裝置后可以減輕飛機(jī)質(zhì)量，如B-1轟炸機(jī)采用C/C剎車裝置后，剎車盤質(zhì)量由1406kg降至725kg；空中客車A-310減重499kg,A-330減重998kg。【19】
5. 結(jié)論
我國正在大力發(fā)展軍用飛機(jī)、支線飛機(jī)、大型商用客機(jī)，導(dǎo)彈，衛(wèi)星以及航天飛機(jī)等項(xiàng)目，這些領(lǐng)域的發(fā)展急需先進(jìn)復(fù)合材料的進(jìn)步。經(jīng)過多年的發(fā)展!我國纖維復(fù)合材料逐漸形成體系，部分已經(jīng)滿足了航空航天器型號(hào)的技術(shù)要求，但總體上與發(fā)達(dá)國家還有一定的差距，因此，必須在纖維復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行重點(diǎn)研制和創(chuàng)新，為國防和航天航空事業(yè)發(fā)展建立必要的物質(zhì)保證。
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