复合材料与航空航天

复合材料与航空航天

摘要

先进复合材料(advanced composite materials ,ACM)成功地用于航空航天领域仅有20多年的历史.它具有比强度比模量高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能优越以及便于大面积整体成型等显著优点,在飞机上已获得大量应用。作为21世纪的主导材料,先进复合材料的用量已成为飞机先进性,乃至航空航天领域先进性的一个重要标志,是世界强国竞相发展的核心技术,也是我国的重点发展领域。本文介绍了复合材料在航空航天上的发展状况，其后讨论了目前复合材料使用上存在的问题，如碳纤维质量差，成本高，针对这些问题，本文最后着重叙述了先进的碳化硅陶瓷纤维的制备方法，特点，以及NL-200陶瓷级纤维在航空航天上的使用。

关键词：复合材料碳化硅陶瓷纤维航空航天

1先进复合材料现状

复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一种多相固体材料。先进复合材料(Advanced Composite Materials)指的是在性能和功能上远远超出其单质组分性能与功能的类新材料。它是国防军工和国民经济发展最重要的一类工程材料，也是应用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。根据美国航空航天局(NASA)的划分，航空航天所使用的各种先进复合材料可以分为以下几种：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料等[1]。

1.1.1先进树脂基复合材料

先进树脂基复合材料是以高性能纤维为增强体、高性能树脂为基体的复合材料.与传统的钢、铝合金结构材料相比,它的密度约为钢的1/5,铝合金的1/2,且比强度与比模量远高于后二者.目前用途最广的主要有碳纤维复合材料(ＣＦＲＰ)和芳纶纤维复合材料(ＡＦＲＰ).ＣＦＲＰ具有比强度高、耐高温、减振性好、耐疲劳性能优越等突出优点,是目前民用飞机上用量最大,也是航空航天等尖端科技领域发展较为成熟的先进复合材料[2].ＡＦＲＰ热稳定性好,耐介质性能优良,可作为复合装甲材料,有较强的防护力.国外近年致力于将该种材料用于制作军、民用飞机的"光谱屏蔽"材料,其关键性能指标———抗冲击性能相当出色.

1.1.2 金属基复合材料

金属基复合材料主要是指以Ａｌ、Ｍｇ等轻金属为基体的复合材料.在航空和宇航方面主要用它来代替轻但有毒的铍. 这类材料具有优良的导电性能、导热性能、耐高温性能，横向性能、低消耗和优良的可加工性能。近20年来，镁基、铝基、钛基等轻质金属基复合材料在航空航天高技术领域起到了支撑作用［3］，SiC晶须增强的铝基复合材料薄板将用于先进战斗机的蒙皮和机尾的加强筋，钨纤维增强高温合金基复合材料可用于飞机发动机部件，石墨/铝、石墨/镁复合材料具有很高的比刚度和抗热变形性，是卫星和宇宙飞行器用的良好的结构材料。美国航天航空局采用石墨/铝复合材料作为航天飞机中部长20m的货舱架。这类材料具有优良的横向性能、低消耗和优良的可加工性,已成为在许多应用领域最具商业吸引力的材料,并且在国外已实现商品化.而在我国仅有少量批量生产,以汽车及机械零件为主,年产量仅5000吨左右,与国外差距较大[4].

1.1.3 陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料

陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料属于耐热结构复合材料，这类材料具有寿命长、强度高、密度低、耐高温、耐腐蚀和抗磨损等特性。陶瓷基复合材料的最高使用温度为1650℃，其密度仅为高温合金的1/3～1/4，工作温度却比高温合金高500℃，它的耐高温能力和减重效果是目前其它材料无法替代的。在1992年，美国投入陶瓷基复合材料应用研究的经费就高达3500万美元[5];法国ＳＥＰ公司用陶瓷基复合材料制成的ＳＣＤ-ＳＥＰ火箭试验发动机已通过点火试车,并使结构减重50%[6].国内从20世纪90年代初开始进行该领域的研究,目前尚未有批量生产的报道。与其它几类相比连续纤维增强陶瓷基复合材料具有更高的断裂韧性及断裂功，且具有完全的非脆性破坏形式，其断裂韧性(K1C)可达30MPa·m1/2以上，比传统陶瓷材料韧性(K1约MPa·m1/2提高200～600%[6]。

2.4 碳/碳复合材料

碳纤维增强碳复合材料是指用碳纤维来增强各种基质碳的材料，简称碳/碳复合材料[7]。碳/碳复合材料是一种极好的热结构材料，具有升华温度高、力学性能好、抗热振性能好质量轻、抗辐照、辐射系数比较高、对雷达和光的可见度小等优点，主要用于航空航天领域。

3先进复合材料可持续研发与应用中需解决的问题

我国先进复合材料是在国防、航空航天领域的需求牵引下逐步发展起来的,经历了对前苏联、美国、日本、西欧以及俄罗斯等国的仿制和跟踪到形成自己的复合材料体系的不同阶段,同时由于受到体制分割和各自领域独立发展的制约和影响,在某种程度上已经形成了材料品种及牌号多、材料成熟度参差不齐、低水平或同水平重复以及较低的性能，质量、规格、价格以及供货能力等方面还远远不能满足国防、航空航天以及民用领域的需求。尤其在中国加入WTO之后,在自主知识产权、创新和提高竞争力等方面受到严峻的挑战。

3.1国产碳纤维

碳纤维是最重要的增强材料,我国碳纤维研发与生产中存在的几个问题:原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、应用基础研究薄弱等。面对国外的技术封锁,我国的迫切需求,以及碳纤维的基础性、先导性以及战略性特点,解决碳纤维技术问题迫在眉睫。如解决PAN原丝PAN碳纤维的关键技术问题,T300级PAN 碳纤维实现大批量生产,满足国内对碳纤维材料的需求;T700级PAN碳纤维可进行小批量生产;争取在模量大于700GPa和强度大于5.5GPa的高模高强碳纤维关键技术方面获得突破,并同时开展大丝束、低成本碳纤维技术研究。

3.2低成本复合材料技术

我国在低成本复合材料技术方面面临着很大的挑战,尤其是在低成本制造技术方面。以某机翼研制为例,碳纤维树脂基复合材料每千克成本为9600元,其中碳纤维约为1000元,树脂约为300元,纤维和基体的成本在总成本中占有份额小于15%,设计成本小于5%,而制造成本却高达80%[8].首先,要继续发展低成本工艺技术,如树脂传递模塑(RTM)及其衍生工艺、电子束固化和低温固化工艺等。同时,发展制造过程优化以及工艺控制技术,提高复合材料的性能稳定性,也是降低成本的重要手段。大幅降低成本,提高制造效率的重要技术是自动化制造,如自动纤维铺放技术等,而我国先进的工艺装备还十分缺乏。

3.3 先进复合材料及结构的设计理论与方法

通过对复合材料几十年的研究和成功应用,人们对其有了更深刻的认识。自

2000年以来,欧美等发达国家的先进复合材料在航空上用量有很大的飞跃,这其中的原因是多方面的,而科学合理的设计理论与方法也是其中的重要因素。我国首先要解决的是设计理念上的问题。主承力结构件上大量用复合材料,需要设计师接受和信赖复合材料。其次是设计理论问题。复合材料的性能分散性和环境依赖性使其设计问题相当复杂,设计准则和结构设计值的确定还很保守。现有的方法需要大量试验,造成复合材料的制备成本高、周期长,性能测试难度大、费用昂贵。设计、制备、评价和使用过程中获得的每一个材料性能数据都弥足珍贵。因此,建立长期的开放式的数据库系统十分必要。

3.4 先进复合材料结构的安全与可靠性评价

复合材料结构形式、服役载荷及使用环境都相当复杂及初始缺陷影响和损伤最终导致材料破坏与结构失效的机制复杂。因此,建立复合材料有效性能试验表征与评价体系,发展高精度的预报理论与方法,有效预测复合材料结构长时服役环境下的性能蜕变规律,给出科学合理的复合材料结构失效判据,定量化评价复合材料结构的可靠性和安全性,是复合材料工作者面临的重要课题。

3.5 重视发展规划

国外航空航天结构中先进复合材料用量不断增加,急剧上升。随着新一代飞行器的发展,特别是新一代卫星、大运载火箭、近空间飞行器和大飞机的发展,先进复合材料与应用将越来越重要。国家应从需求及复合材料科学与技术本身规划复合材料可持续发展问题,可以从复合材料与金属、高分子、无机材料同等重要,并且是航空航天四大材料(复合材料、铝、钛、钢)的角度,制定相关计划并动员社会力量推进复合材料可持续发展。重点解决先进复合材料研制中的共性和关键问题,发展我国的优势和精品系列材料,通过国家与企业协同支持,自主创新,使我国成为复合材料的强国。

4碳化硅陶瓷纤维

碳纤维是一种高强度、高模量材料,理论上大多数有机纤维都可被制成碳纤维,实际用作碳纤维原料的有机纤维主要有三种，但其原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、应用基础研究薄弱等问题仍很严峻。陶瓷纤维是由天然或人造无机物采用不同工艺制成的纤维状物质, 也可由有机纤维经高温热处理转化而成, 除具有优异的力学性能外, 还具有抗氧化、高温稳定性好等优点。碳化硅纤维(SiCf)是用于金属基、陶瓷基复合材料的一种重要的高性能增强陶瓷纤维。与碳纤维相比, SiCf在抗拉强度、抗蠕变性能、抗氧化性以及与陶瓷基体相容性方面表现出一系列的优异性能。

4.1 SiCf的制备

4.1.1 化学气相沉积法

化学气相沉积法 (CVD),即在连续的钨丝或碳丝芯材上沉积碳化硅。通常在管式反应器中用水银电极直接采用直流电或射频加热, 把基体芯材 (钨丝或碳丝)加热到 1 200℃以上, 通入氯硅烷和氢气的混合气体 , 经反应裂解为碳化硅 , 并沉积在钨丝或碳丝表面。目前有美国达信系统公司、法国国营火药炸药公司、英国石油公司和我国中科院金属所等在开展此项工作。

4.1.2 先驱体转化法

先驱体转化法 (PIP)是以有机聚合物(一般为有机金属聚物)为先驱体, 利用其可溶可熔等特性成型后, 经高温热分解处理,使之从有机化合物转变为无机陶瓷材料的方法。1975年日本的矢岛教授等[9]首次使用聚碳硅烷作为先驱体制造

SiCf。之后, 日本碳公司又开发了月产 100 kg的连续 SiCf工业生产线, 以“Nicalon”商品名销售。同时国内也研制出了高性能连续SiCf技术 , 填补了中国陶瓷纤维品种的空白, 使中国成为国际上少数能用此方法制得连续 SiCf 的国家之一。表 1反映了各国采用先驱体法制备 SiCf的性能。目前 , SiCf 的单丝抗拉强度达到了 2.42 GPa, 丝束强度得到了成倍的提高 (178 GPa), 已经可以在编织机上进行编织 , 实用性大为提高。尽管如此 , 先驱体法也有一些缺点:如原料及保护气体的价格昂贵、制造工艺繁杂 , 纤维质量不容易控制等。

4.1.3 活性炭纤维转化法

近年来, 出现了一种新的SiCf制备方法———活性炭纤维转化法。它的原理比较简单:利用气态的 SiO与多孔活性炭反应便转化生成了 SiC。该法使得制备SiCf成本降低, 过程简单。活性炭纤维转化法制备 SiCf包括三大工序:1.活性炭纤维制备;2.在一定真空度的条件下，在1 200 ℃～ 1 300 ℃的温度下 ,ACF 与 SiO2发生反应而转化为SiCf;3.在氮气气氛下进行热处理(1 600 ℃)。

4.1.4 超微粉体挤压纺丝法

超微粉体掺混纺丝法[10]是制备连续 SiCf的经典方法, 是将超微 SiC粉、粘结剂和烧结助剂等混合后挤压纺丝, 高温烧结而成。英国 ICI公司用 0.1 μm～2.0 μm微粉 , PVAc作粘结剂 , B和 Al2O3作烧结助剂, 混合纺丝后高温烧结制得 SiCf, 其强度为1.6 GPa。 Si也可用作烧结助剂 ,并能降低烧结温度到 1 800 ℃。

4.2碳化硅的性能

可以看出, 活性炭纤维转化法制备的 SiCf的性能与CVD法、先驱体转化法制得 SiC相比尚有一定的差距 , 虽然大大降低了 SiCf的生产成本 , 使得SiCf 大批量、工业化生产以及大范围地被应用成为可能 , 但其性能还需进一步的提高。提高活性炭纤维转化法 SiCf性能的关键在于降低活性炭纤维微孔的孔径, 并尽可能提高活性炭纤维的性能。

4.3 NL-200陶瓷级纤维

NL-200陶瓷级纤维, 有很高的抗张强度(3 GPa)和高的抗张模量(220 GPa), 用作树脂基、金属基、陶瓷基复合材料的增强纤维。NL-400和 NL-500分别是高体积电阻率纤维和低体积电阻率纤维，两者主要用作树脂基复合材料的增强纤维。NL-607是由NL-200经过碳涂层而得的纤维。用 NL-607增强的陶瓷复合材料具有优秀的界面性能。这种纤维同时具有细、弯曲和连续的特性, 可生产多种机织物, 如布、带、绳、编织和三维机织物，Nicalon纤维同时具有耐热和高温下耐氧化的优秀性能。

4.3.1基于耐高温性能的应用

SiCf增强陶瓷 (CMC)比超耐热合金的质量轻, 具有高温耐热性, 并显著地改善了陶瓷固有的脆性 , 所以 CMC可用作宇宙火箭、航空喷气式发动机等耐热部件以及高温耐腐蚀化学反应材料等。根据美国 NASA的评价 , Hi-Nicalon 碳化硅复合材料在 1 200℃下 , 可用作超高温耐热结构材料 , 第二代超高速运输飞机发动机部件及核聚变炉防护层材料等。英国航天工业局 (AEA)将40vol%的连续 SiCf增强陶瓷基复合材料用于新型航天飞行器获得成功。该材料用热压或热等静压成型 , 轻且坚固, 在承受强大的空气动压力的同时, 还能经受航天器重返大气层时的极高温度。满足了航天器的苛刻要求, 且成本低廉, 使用方便 , 是钛合金和镍基耐热合金的理想替代物。美国德克斯特朗特种材料公司生产的连续 SiCf/Si3N4陶瓷在1 370 ℃时抗拉强度超过276 MPa, 用于

火箭发动机航天飞机等的隔热瓦等。洛克公司以SiCf开发出来的耐热瓦 , 已有3万余块用于美国哥伦比亚号宇宙飞船上。用 CVD技术制作的碳化硅镀覆瓦, 反复承受 1 260 ℃热辐射后 , 其表面的硬度特性和金刚石一样。目前已制造出用于1 630 ℃高温的此类耐热绝热产品。法国幻影 2000 战斗机的M53发动机鱼鳞板内侧也采用了SiCf/SiC陶瓷基复合材料。日本以 SiCf/SiC材料作为空间飞机 HOPE-X的平面翼板及前沿曲面翼板等热保护系统(TPS), 经试验其力学性能和热保护性能都得到理想结果[11]。在航空发动机方面SiCf/SiC材料是更大幅度提高推重比的希望所在, 日本先进材料航空发动机(AMG)燃烧室的衬里、喷嘴挡、叶盘等均采用CVI-PIP联用工艺生产的SiCf/SiC材料[12]。

4.3.2 基于结构吸波性能的应用

作为结构吸波材料的吸收剂和增强剂,轻质、高强高模、耐高温且同时具备良好吸波性能的吸波纤维是当前吸波材料的重要研究方向之一。 SiCf密硼纤维相当, 既具有与碳纤维相当的强度与模量, 碳纤维、芳纶等无法比拟的耐高温氧性，又具有与玻璃纤维相近的介电常数和电阻率, 是高性能复合材料的理想增强剂,是国外研究发展最快的耐高温陶瓷纤维。SiCf可以抗γ射线辐射以及高速粒子流和电子流的冲击。SiCf经过适当处理, 电阻率调整到10 Ψ· cm～ 103 Ψ·cm会达到最好的吸收效果。美国已研制出了 SiCf增强的玻璃陶瓷基复合材料,即使温度较高该材料也具有吸波性能,已广泛用作吸波材料和吸波结构[13]。

5.结束语

新型航空航天器的先进性标志之一是结构的先进性,而先进复合材料是实现结构先进性的重要物质基础和先导技术。我国将成为世界上先进复合材料的最大用户,却面临着国外的技术封锁及我国技术贮备的严重不足。因此,实现我国先进复合材料研发和应用的可持续发展,必须坚持自主创新,解决原材料问题,设计应用中的理论问题,低成本技术问题,耐热性、耐腐蚀性好的碳化硅纤维卓越的研究成果无疑为我们带来了新的希望。从 SiCf的制备来看 , 先驱体转化法是比较成熟的方法 , 是SiCf制备研究的主流方向, 目前已实现工业化。在应用方面, 用作耐热材料及复合材料增强纤维及吸波材料, 在航空航天领域取得了令人振奋的研究结果。随着研究的深入, SiCf/SiC材料将在更多的尖端技术领域得到广泛应用。可以预见 , 凭借其优秀的性能, SiCf将会是 21世纪最引人注目的高科技材料之一。

参考文献

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航空航天复合材料技术发展现状 2008-11-25 中国复合材料在线［收藏该文章］ 材料的水平决定着一个领域乃至一个国家的科技发展的整体水平；航空、航天、空天三大领域都 对材料提出了极高的要求；材料科技制约着宇航事业的发展。 固体火箭发动机以其结构简单，机动、可靠、易于维护等一系列优点，广泛应用于武器系统及航 天领域。而先进复合材料的应用情况是衡量固体火箭发动机总体水平的重要指标之 一。在固体发动机研制及生产中尽量使用高性能复合材料已成为世界各国的重要发展目标， 目前已拓展到液体动力领域。科技发达国家在新材料研制中坚持需求牵引和技术创新相结合，做到了需求牵引带动材料技术发展，同时材料技术创新又推动了发动机水平提高的良性发展。 目前，航天动力领域先进复合材料技术总的发展方向是高性能、多功能、高可靠及低成本。 作为我国固体动力技术领域专业材料研究所，四十三所在固体火箭发动机各类结构、功能复合材料研究及成型技术方面具有雄厚的技术实力和研究水平，突破了我国固体火箭发动 机用复合材料壳体和喷管等部件研制生产中大量的应用基础技术和工艺技术难关，为我国的 固体火箭发动机事业作出了重要的贡献，同时牵引我国相关复合材料与工程专业总体水平的 提高。建所以来，先后承担并完成了通讯卫星东方红二号远地点发动机，气象卫星风云二号 远地点发动机，多种战略、战术导弹复合材料部件的研制及生产任务。目前，四十三所正在 研制多种航天动力先进复合材料部件，研制和生产了载人航天工程的逃逸系统发动机部件。 二、国内外技术发展现状分析 1、国外技术发展现状分析 1.1结构复合材料 国外发动机壳体材料采用先进的复合材料，主要方向是采用炭纤维缠绕壳体，使发动机质量比有较大提高。如美国“侏儒”小型地地洲际弹道导弹三级发动机（SICBM-1 、-2、- 3 ）燃烧室壳体由IM-7炭纤维/HBRF-55A 环氧树脂缠绕制作，IM-7炭纤维拉伸强度为 5 300MPa , HBRF-55A 环氧树脂拉伸强度为84.6MPa，壳体容器特性系数（PV/Wc ）＞3 9KM ;美国的潜射导弹“三叉戟II （D5 ）”第一级采用炭纤维壳体，质量比达0.944，壳 体特性系数43KM，其性能较凯芙拉/环氧提高30% 国外炭纤维的开发自八十年代以来，品种、性能有了较大幅度改观，主要体现在以下两个方 面：①性能不断提高，七、八十年代主要以3000MPa的炭纤维为主，九十年代初普遍使用 的IM7、IM8纤维强度达到5300MPa,九十年代末T1000纤维强度达到7000MPa,并已开始工程应用；②品种不断增多，以东丽公司为例，1983年产的炭纤维品种只有4种，至U 1995 年炭纤维品种达21种之多。不同种类、不同性能的炭纤维满足了不同的需要，为炭纤维复合材料的广泛应用提供了坚实的基础。 芳纶纤维是芳族有机纤维的总称，典型的有美国的Kevlar、俄罗斯的APMOC,均已在多 个型号上得到应用，如前苏联的SS24、SS25洲际导弹。俄罗斯的APMOC纤维生产及其应 用技术相当成熟，APMOC纤维强度比Kevlar高38%、模量高20%，纤维强度转化率已达到75%以上。PBO纤维是美国空军1970年开始作为飞机结构材料而着手研究的产品，具有刚

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先进复合材料在航空航天领域的应用

龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/ad12346876.html, 先进复合材料在航空航天领域的应用 作者：周庆庆 来源：《科技风》2017年第17期 摘要：复合材料是在随着科技发展所衍生出的一种新型材料，尤其是先进复合材料目前 已经被广泛应用到了航空航天领域，并发挥着至关重要的作用价值。本文简要介绍了先进复合材料的特性，而后重点就先进复合材料在航空发动机、无人机等航空领域，以及导弹结构、运载火箭结构、卫星和宇航器结构等航天领域中的具体应用展开了深入的探究工作。 关键词：先进复合材料；航空航天；应用 伴随着当前科技水平的不断提高，尤其是航空航天领域的快速发展，材料的应用环境愈发恶劣，对于材料本身也提出了更为严苛的要求。新型材料的研发是为了更好的满足于高新技术发展的需求，其中复合材料是目前在材料科学领域中的一个主要发展方向，同时也是新材料发展最好的一个分支，随着复合材料的快速发展，其目前已经成为了与高分子材料金属材料、无机非金属材料所并列的四大材料体系之一。 一、复合材料的特性 先进复合材料有着十分明显的优势特性，具体可概括为结构整体化、经济效益最大化、可设计性以及功能多样性，现具体分析如下： （1）结构整体化。先进复合材料能够被加工为整体部件，也就是应用先进复合材料部件来取代金属部件。在一些较为特殊的轮廓及表层比较复杂的部件当中，利用金属制造往往可行性相对较差，而应用先进复合材料往往便可有效满足于实际的工作需求。 （2）经济效益最大化。将先进复合材料应用于航空航天领域内，可实现对产品数量的大幅度精减。因对复杂部件的连接往往无需采取焊接、铆接等方式，因而对于连接部件的需求量也便可以大大减少，进而使得材料的装配成本与时间也能够有效降低，从而实现经济效益的最大化。 （3）可设计性。应用纤维、树脂、复合结构等方式可得到多种性能、形状存在明显差异化的复合材料，选取出适当的材料及铺层次序便可加工出没有膨胀系数的复合材料，同时其尺寸稳定性也要明显优于一般的金属材料。 （4）功能多样性。随着先进复合材料材料的不断发展，其不断融合了许多优异的物理性能、化学性能、生物性能、力学性能等。如先进复合材料所具备的阻燃性能、吸波性能、防热性能、屏蔽性能、半导性能及超导性能，而且各类先进复合材料其本身的构成也不尽相同，在功能方面也会产生出一定的差异性，目前综合性及多功能性现已成为先进复合材料发展的一项主流趋势。

先进复合材料在航空航天的应用综述 (1)

第31卷第2 期高科技纤维与应用Vol.31 No.2 2006 年 4 月Hi-Tech Fiber & Application Apr. 2006 先进复合材料在航空航天的应用综述 何东晓 （哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150036） 摘要:讨论了先进复合材料在航天飞机、航空发动机、机用雷达天线罩、航天隔热材料、航天卫星和宇航器、固体火箭发动机壳体、战略导弹等方面的应用情况。结合航空航天应用阐明了先进复合材料未来的发展趋势，重点是提高耐热性，抗冲击韧性和发展低成本制造技术。 关键词:先进复合材料；航空；航天；应用；发展趋势 中图分类号:V258文献标识码:A文章编号:1007-9815（2006）02-0009-03 Review of the Application of Advanced Composite in Aviation and Aerospace HE Dong-xiao (Harbin FRP Institute,Harbin150036China) Abstract: In this paper, the application of advanced composite in space shuttle, aviation engine, radar antenna mask, aviation hot insulation material, space satellite solid rocket engine and strategic missile are discussed. The development trends of advanced composite in aviation and aerospace are introduced, the key point is improving the thermal stability, impact resistance and developing low-cost manufacturing technique. Key words: advanced composite;aviation;aerospace;application;development trends 前言到航空航天等军事领域中，是制造飞机、火箭、 航天飞行器等军事武器的理想材料。 近年来，随着科学技术的不断进步，材料技 术得到飞速发展，其中尤以先进复合材料的发展 1 国内外应用概况 最为突出。 先进复合材料（Advanced Composites ACM） 1.1 在航空飞机上的应用 专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚飞机用ACM经过近40 a的发展，已经从最度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤件，可获得减轻质量20 %～30 %的显著效果。目 维、芳纶等增强的复合材料。ACM在航空航天前已进入成熟应用期，对提高飞机战术技术水平的 等军事上的应用价值特别大。比如，军用飞机和贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑，其设 卫星，要又轻又结实；军用舰船，要又耐高压又计、制造和使用经验已日趋丰富。 耐腐蚀。这些苛刻的要求，只有借助新材料技术迄今为止，战斗机使用的ACM占所用材料 才能解决。ACM具有质量轻，较高的比强度、总量的30 %左右，新一代战斗机将达到40 %； 比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、直升机和小型飞机ACM用量将达到70 %～隔音、减振、耐高（低）温，独特的耐烧蚀性、80 % 左右，甚至出现全 ACM 飞机。“科曼奇”透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、直升机的机身有70 %是由ACM制成的，但仍计制备的灵活性和易加工性等特点，被大量地应用划通过减轻机身前下部质量，以及将ACM扩大

复合材料在飞机上的应用

复合材料在飞机航空中的应用与发展 学校：西安航空职业技术学院 专业：金属材料与热处理技术 姓名：郭远 摘要 复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一；复合材料构件的整体成型、共固化技术不断进展，复杂曲面构件不断扩大应用；复合材料的数字化设计，设计、制造一体化，以及基于三维模型铺层展开的专用设计／制造软件等技术的开发是先进复合材料发展的基本技术保障. 复合材料在飞机航空中的应用与发展 复合材料大量用于航空航天工业和汽车工业，特别是先进碳纤维复合材料用于飞机尤为值得注意。不久前，碳纤维复合材料只能在军用飞机用作主结构，但是，由于技术发展的进步，先进复合材料已开始在民航客机止也应用作主结构，如机身、机翼等。 一．飞机结构用复合材料的优势 现今新一代飞机的发展目标是“轻质化、长寿命、高可靠、高效能、高隐身、低成本”。而复合材料正具备了上面的几个条件，成为实现新一代飞机发展目标的重要途径。

复合材料具有质轻、高强、可设计、抗疲劳、易于实现结构/功能一体化等优点，因此，继铝、钛、钢之后迅速发展成为四大飞机结构材料之一。 复合材料在飞机结构上的应用首先带来的是显着的减重效益，复合材料尤其是碳纤维复合材料其密度仅为cm3左右，如等量代替铝合金，理论上可有42%的减重效果。 近年来随着复合材料技术的深入研究和应用实践的积累，人们清楚地认识到：复合材料在飞机结构上应用效益绝不仅仅是减重，而且给设计带来创新舞台，通过合理设计，还可提供诸如抗疲劳、抗振、耐腐蚀、耐久性和吸透波等其它传统材料无法实现的优异功能特性，可极大地提高其使用效能，降低维护成本，增加未来发展的潜力和空间。尤其与铝合金等传统材料相比，可明显减少使用维护要求，降低寿命周期成本，特别是当飞机进入老龄化阶段后效果更明显，据说B787较之B767机体维修成本会降低30％，这在很大程度上应归功于复合材料的大量应用。同时，大部分复合材料飞机构件可以整体成型，大幅度减少零件数目，减少紧固件数目，减轻结构质量，降低连接和装配成本，从而有效地降低了总成本，如F/A-18E/F零件数减少42%，减重158kg。复合材料整体成型技术还可消除缝隙、台阶和紧固件，无疑对提高军机的隐身性能也具有非常重要的贡献。 二．飞机结构用复合材料的发展过程 先进复合材料于上世纪60年代中期一问世，即首先用于飞行器结构上。30多年来先进复合材料在飞机结构上应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能、由军机应用扩展到民机应用的发展道路。 1.复合材料在军用飞机上的发展过程

航空航天复合材料设计要求比较

航空航天复合材料结构设计要求的比较 复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料,它既能保留原有组分材料的主要特色,又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同,从而获得原组分材料无法比拟的优越性能, 复合化是当代材料技术发展的重要趋势之一，而大量采用高性能复合材料是航空航天飞行器发展的重要方向。航空航天追求性能第一的特点,使其成为先进复合材料技术的率先实验和转化的战场,航空航天工业的发展和需求推动了先进复合材料的发展,而先进复合材料的发展和应用又促进了航空航天的进步。先进复合材料继铝、钢、钛之后,迅速发展成四大结构材料之一,其用量成为航空航天结构的先进性标志之一。将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重20%~30%,这是其他先进技术很难达到的效果。美国NASA的Langley 研究中心在航空航天用先进复合材料发展报告中指出,各种先进技术的应用可以使亚音速运输机获得51%的减重(相对于起飞重量)效益,其中,气动设计与优化技术减重4·6%,复合材料机翼机身和气动剪裁技术减重24·3%,发动机系统和热结构设计减重13.1%,先进导航与飞行控制系统减重9%,说明了先进复合材料的应用减重最明显。这不仅带来相当大的经济效益,而且可以增加装备的机动性,还可以提高其抗疲劳、耐腐蚀性能。 由于航天与航空的使用环境和应用范围存在区别，因而造成复合

材料在航空飞行器与航天飞行器上使用的设计要求也有很多不同之处。而且由于任务目标和使用环境差异，飞机结构的要求不能直接作为空间飞行器的结构设计要求。空间飞行器的飞行环境和承受的载荷很特殊，并且几乎没有可能再去检查和维修航天器的结构或在其任务条件下验证其结构的性能。因此，空间飞行器复合结构设计必须比飞机复合材料结构设计更加稳定可靠。虽然如此，飞机行业的复合材料结构设计方面的经验仍然可以为航天器的复合材料结构设计提供一定的参考和借鉴。 航空和航天复合材料结构设计要求具体在哪些方面存在差异呢？ 第一点是两者的生成规模差别很大。航空产品通常进行大规模生产，不仅整机生产数量多，而且因为需要维修等等，这样更换损坏的零件同样数量巨大；而航天产品则大多生产较少。因此在结构设计时，航空产品对结构设计时需要对加工工艺等配套设施进行细致的考虑，以达到成本、周期。效益的均衡，而航天结构设计则大多不需要考虑。同时生产数量的差异也使后续的设计工作产生了很大不同。 第二点是初始设计要求。飞机工业需要通过测试数量庞大的样本总结设计出一套模块建立的方法。但航天器的生产数量很有限，因此用于航空专业的样本采集到模块建立的方法，要想应用于航天器，从成本和进度的角度来看，是不切实际的。 第三点是强度要求。在航空和航天器中，对于强度的要求二者是一致的，但因工作环境不同存在一定的区别。航空和航天器复合材料

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用林德春潘鼎高健陈尚开 （上海市复合材料学会）（东华大学）（连云港鹰游纺机集团公司） 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性,纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。 可以明显看出，在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加，2006年比2001年增长约40%，2008年增长约76%，2010年和2001年相比增长超过100%。 本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展。 1 航空领域应用的新进展 T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的 为拉伸强度达到5.5GPa，断裂应变高出T300 碳纤维的30％的高强度中模量碳纤维T800H 纤维。 （1）军品 碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材。 美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料：F-22的结构重量系数为27.8%，先进复合材料的用量已达到25%以上，军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人

复合材料在航天航空领域的应用现状与展望

复合材料在航天航空领域的应用现状与展望 摘要现代飞机和卫星的制造材料应具有质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特性，先进复合材料的独有性能使它成为制造卫星和飞机的理想材料。本文重点介绍了我国航天用符合材料的研究情况，并展望了今后的发展趋势。 关键词复合材料；航空航天；应用现状；发展趋势 Prospect and Application of Composites in Aviation and Aerospace Abstract Nowadays, the material of producing planes and satellites should be light, strong and should resist high temperature, corrosion and so on. Because of the unique peculiarities, advanced composites become the ideal material of producing planes and satellites. In this paper, the present status and prospect of applied research on composite materials for aero-space application in China are given. Key words composites; aviation and aerospace ; application and development; development trends

航空航天领域先进复合材料制造技术进展

专题研究 Feature 72 纺织导报 China Textile Leader · 2018 产业用纺织品专刊 参考文献 [1] 李俊宁，胡子君，孙陈诚，等. 高超声速飞行器隔热材料技术 研究进展[J]. 宇航材料工艺，2011，41（6）：10－13. [2] GRITSEVICH I V, DOMBROVSKII L A, NENAROKOMOV A V. Heat transfer by radiation in vacuum shield insulation of spacecrafts [J]. Thermal Processes in Engineering, 2013, 5（1）: 12－21. [3] 沈学霖，朱光明，杨鹏飞. 航空航天用隔热材料的研究进展[J]. 高分子材料科学与工程，2016，32（10）：164－169. [4] KIM J, LEE J H, SONG T H. Vacuum insulation properties of phe-nolic foam[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55（19－20）: 5343－5349. [5] BHEEKHUN N, ABU TALIB A R, HASSAN M R. Aerogels in aerospace: An overview[J]. Advances in Materials Science and En-gineering, 2013, 406065. [6] WANG X, DING B, SUN G, et al. Electro-spinning/netting: A stra-tegy for the fabrication of three-dimensional polymer nano-fiber/nets[J]. Progress in Materials Science, 2013, 58（8）: 1173－1243.[7] SI Y, YU J, TANG X, et al. Ultralight nanofibre-assembled cellular aerogels with superelasticity and multifunctionality[J]. Nature Com-munications, 2014, 5: 5802. [8] GBEWONYO S, CARPENTER A W, GAUSE C B, et al. Low th-ermal conductivity carbon fibrous composite nanomaterial enab-led by multi-scale porous structure[J]. Materials & Design, 2017, 134: 218－225. [9] ZHENG H, SHAN H, BAI Y, et al. Assembly of silica aerogels wi-thin silica nanofibers: Towards a super-insulating flexible hybrid aerogel membrane[J]. RSC Advances, 2015, 5（111）: 91813－91820. [10] SHAN H, WANG X, SHI F, et al. Hierarchical porous structured SiO 2/SnO 2 nanofibrous membrane with superb flexibility for mole-cular filtration[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2017, 9（22）: 18966－18976. [11] KOBAYASHI Y, SAITO T, ISOGAI A. Aerogels with 3D ordered nanofiber skeletons of liquid-crystalline nanocellulose derivatives as tough and transparent insulators[J]. Angew Chem-Int Edit, 2014, 53（39）: 10394－10397. [12] SI Y, WANG X, DOU L, et al. Ultralight and fire-resistant ceramic nanofibrous aerogels with temperature-invariant superelasticity[J]. Science Advances, 2018, 4（4）: eaas8925. 机梯度隔热、舱室隔热保暖等领域。 纳米纤维材料虽然具有良好的隔热性能和弹性，但其拉伸、剪切性能仍需大幅提升以满足实际应用需求。同时，现有纳米纤维气凝胶的孔径较大，导致其热对流效应明显，特别是在高温环境下，因此需在保证其力学性能未大幅下降的前提下进一步减小纳米纤维气凝胶的孔径，提升材料的隔热性能，最终实现其在航空航天热防护领域的特效应用。 图 1 民用飞机结构复合材料用量的变化 1970年 1980年 1990年 2000年 2010年 空客A350：52% 波音787：50%空客A380：25%空客A340：13%波音777：11%波音757：4%波音767：4% 复合材料用量/% 尾翼应用复合材料 外翼、机身应用复合材料 A350 A380 A340中央翼应用复合材料 次承力结构应用复合材料 50403020100 波音787 波音777 波音757/767 复合材料自20世纪60年代问世以来迅速发展，由于具有高比刚度、高比强度、性能可设计、抗疲劳性和耐腐蚀性等优点，越来越广泛地应用于各类航空航天飞行器，大大地促进了飞行器的轻量化、高性能化、结构功能一体化。同时，复合材料的应用部位已由飞机的非承力部件及次承力部件发展到主承力部件，并向大型化、整体化方向发展，先进复合材料的用量成为航空器先进性的重要标志。本文重点阐述航空航天领域最为广泛应用的碳纤维增强树脂基先进复合材料的应用概况、制造技术及未来发展方向。 1 先进复合材料在航空航天领域的应用概况 先进复合材料在航空航天领域的应用始于军用飞 机，是为满足其对高机动性、超音速巡航及隐身等要求而不惜成本开始采用的。近年来由于结构轻量化的要求，民用飞机在复合材料用量方面也呈现增长的趋势。图 1 为商用飞机中复合材料用量占结构重量比例的增加趋势。以1990年研制的波音777为例，在其机体结构中，复合材料仅占11%，而且主要用于飞机辅件，如尾翼和操纵面等。到了2009年波音787首飞时，复合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的50%（图 2），而空客A350的复合材料用量更是达到了52%（图 3），不仅复合材料占比激增，而且复合材料大量应用于 碳纤维复合材料层压板碳纤维夹芯复合材料玻璃纤维复合材料铝 铝/钢/钛复合材料 其他5% 钢10% 钛15%铝20% 复合材料50% 图 2 波音787的复合材料用量

2016先进复合材料在航空航天领域的应用_汤旭

- 39 - 2016年第13期（总第364期） NO.13.2016 ( Cumulativety NO.364 ) 串口，与通信网关机进行IEC101规约通讯，通信网关机 通过B接入网与调度主站进行IEC104规约通讯。 图12 其方案描述如下：（1）综自系统通过原与地调通信的串口以IEC101规约向通信网关机发送地调点表数据，综自系统通过新增串口以IEC101规约向通信网关机发送省调点表数据；（2）通信网关机首先与综自A机尝试串口IEC101规约通讯，若与综自A机通讯失败，则尝试与综自B机通讯，但同一时间只与一台综自主机进行串口IEC101规约通讯；（3）通信网关机通过B接入网与调度主站系统进行IEC104规约通讯；（4）综自系统通过A接入网与调度主站系统进行IEC104规约通讯，即保持原来的通讯方式不变。 改造后网络拓扑图如图11所示。其逻辑连接关系如图12所示。 该方式的优点：主站通过A接入网与综自系统直接通讯，通过B接入网与通信网关机通讯，两路通讯互备，真正达到“双主模式”的要求。 该方式的缺点：需在综自系统上增加一路串口传输设置，不过几乎所有综自系统通信机上都具备至少2路以上串口传输能力，因此仅需软件设置，不需要做硬件扩充。 4　结语 本文结合工程实际和现实技术手段，探讨网络双平面传输改造技术，并在实际改造经验基础上对各种改造技术方案加以比较和总结，从安全经济的角度出发，研究比较了5种基于规约转换方式的实现变电站自动化系统通信机双机“双主模式”，通过调度数据网双平面同时与调度主站系统进行IEC104规约通讯。综合比较5种方式的优劣，方式五是一个最简单易行且比较经济的技术方法。本文为有类似双平面传输改造者以及不久后即将开始的低电压等级（35kV）变电站自动化系统网络双平面传输改造提供技术借鉴。 作者简介：高夏生（1963-），男，安徽省电力公司高级工程师，研究方向：电网调度自动化。 （责任编辑：蒋建华） 1　概述 现阶段，我国航空航天事业得到前所未有的发展，航空航天领域对材料的要求不断提升，为了满足航空航天领域对材料性能的要求，应该研发新型、高性能的材料，先进复合材料应运而生，其具有多功能性、经济效益最大化、结构整体性以及可设计性等众多特点。将先进复合材料应用在航空航天领域，能够有效地提高现代航空航天器的性能，减轻其质量。和传统钢、铝材料相比，先进复合材料的应用，能够减轻航天航空器结构重量的30%左右，在提高航空航天器性能的同时，还能降低制造和发射成本。现阶段，先进复合材料已经成为飞船、卫星、火箭、飞机等现代航空航天器的理想材料，同时，先进复合材料已经和高分子材料、无机非金属材料及金属材料并列为四大材料。因此，文章针对先进复合材料在航空航天领域应用的研究具有重要的现实意义。 2　我国先进复合材料发展现状 自20世纪70年代开始，我国就开始了对复合材料的研究工作，经过40多年的研究与发展，我国先进复合材料的技术水平不断提高，并且取得了可喜的进步。现阶段，我国先进复合材料在航空航天领域中的应用，逐渐实现了从次承力构件向主承力构件的转变，被广泛地推广和应用在军机、民机、航空发动机、新型验证机和无先进复合材料在航空航天领域的应用 汤　旭　李　征　孙程阳 （哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001） 摘要：先进复合材料由于具有多功能性、经济效益最大化、结构整体性、可设计性等众多特点，在各个领域被广泛推广和利用，特别是在航空航天领域。文章分析了我国先进复合材料的发展现状，对先进复合材料进行了简介，分别针对先进复合材料在航空领域、航天领域的应用进行了综述，最后探析了复合材料在航空航天领域的发展前景。 关键词：先进复合材料；航空航天领域；飞船；卫星；火箭；飞机 文献标识码：A 中图分类号：V257 文章编号：1009-2374（2016）13-0039-04 DOI：10.13535/https://www.sodocs.net/doc/ad12346876.html,ki.11-4406/n.2016.13.019

复合材料在飞机航空中的应用与发展

复合材料在飞机航空中的应用与发展

复合材料在飞机航空中的应用与发展 姓名:李经纬学号：0823020124 复合材料大量用于航空航天工业和汽车工业，特别是先进碳纤维复合材料用于飞机尤为值得注意。不久前，碳纤维复合材料只能在军用飞机用作主结构，但是，由于技术发展的进步，先进复合材料已开始在民航客机止也应用作主结构，如机身、机翼等。 一．飞机结构用复合材料的优势 现今新一代飞机的发展目标是“轻质化、长寿命、高可靠、高效能、高隐身、低成本”。而复合材料正具备了上面的几个条件，成为实现新一代飞机发展目标的重要途径。 复合材料具有质轻、高强、可设计、抗疲劳、易于实现结构/功能一体化等优点，因此，继铝、钛、钢之后迅速发展成为四大飞机结构材料之一。 复合材料在飞机结构上的应用首先带来的是显著的减重效益，复合材料尤其是碳纤维复合材料其密度仅为1.6g/cm3左右，如等量代替铝合金，理论上可有42%的减重效果。

近年来随着复合材料技术的深入研究和应用实践的积累，人们清楚地认识到：复合材料在飞机结构上应用效益绝不仅仅是减重，而且给设计带来创新舞台，通过合理设计，还可提供诸如抗疲劳、抗振、耐腐蚀、耐久性和吸透波等其它传统材料无法实现的优异功能特性，可极大地提高其使用效能，降低维护成本，增加未来发展的潜力和空间。尤其与铝合金等传统材料相比，可明显减少使用维护要求，降低寿命周期成本，特别是当飞机进入老龄化阶段后效果更明显，据说B787较之B767机体维修成本会降低30％，这在很大程度上应归功于复合材料的大量应用。同时，大部分复合材料飞机构件可以整体成型，大幅度减少零件数目，减少紧固件数目，减轻结构质量，降低连接和装配成本，从而有效地降低了总成本，如F/A-18E/F零件数减少42%，减重158kg。复合材料整体成型技术还可消除缝隙、台阶和紧固件，无疑对提高军机的隐身性能也具有非常重要的贡献。 二．飞机结构用复合材料的发展过程 先进复合材料于上世纪60年代中期一问世，

先进复合材料在航空航天领域的应用

- 129 - 新 技 术 开 发 从最初采用泥土和麦秸堆砌房子到现代的钢筋水泥，人们很早就认识到，可以将两种或多种不同性能的材料进行组合，制备得到性能更加优异的材料。如古埃及修建的金字塔，就是采用石灰、火山灰等作为黏合剂，混合砂石作为砌料进行搭建的，这是最早最原始的颗粒增强复合材料。复合材料 （Composite）由两种或两种以上独立物理相通过复合工艺组合而成的新型材料，在宏观和微观上具有不同的结构尺度和层次的多相固体材料。而先进复合材料（Advanced Composites Material，简称ACM）特指由高性能纤维及高性能树脂复合而成的高性能复合材料或具有某种特殊功能（如吸透波、电、热、防弹等）的复合材料。由于先进复合材料具有比强度比模量高等显著特点，并且具有良好的抗疲劳性能、优良的减震性能以及优越的耐腐蚀性能，因此，近年来逐渐广泛应用于航空航天领域。 １　先进复合材料的组成及发展现状 当前，应用于航空航天应用的先进复合材料中，多以碳 纤维作为增强体，热固性树脂作为基体，而环氧树脂又是热固性树脂体系中的应用最为广泛的。从20世纪40年代开始，战斗机、轰炸机上就采用了玻璃纤维增强塑料作雷达罩。到了20世纪50年代，先进复合材料，主要是碳纤维增强树脂基复合材料，开始大量应用于航空航天领域，广阔的应用前景促进了复合材料行业的发展。 １．１　树脂 树脂基体是复合材料的重要组成部分，树脂基体使纤维形成一个整体，因此树脂起着传递载荷和均衡载荷的作用。复合材料的工艺性能、力学性能的压缩程度和断裂韧性及其他方面的物理或化学性能都取决于树脂基体。目前，应用较为广泛的主要有环氧树脂和双马来酰亚胺树脂（简称双马树脂）。１．１．１　环氧树脂 环氧树脂是指含有两个或多个环氧基团的有机物，该类有机化合物是重要的热固性树脂。环氧树脂具有质量轻、强度高、模量高、耐腐蚀性能好、加工简便、生产效率高和材料可设计性强等特点，同时还具有一些特殊的性能，如能够减振、消音、透波、隐身等特性，是国民经济和国防科技发展建设中不可替代的重要材料。但是它也有一定的缺点，从经济角度看，它的价格比较高，另一方面脆性较大，常需加 入增塑剂。１．１．２　双马树脂 双马来酰亚胺树脂（简称BMI）的研究要稍晚一些，但其发展和应用的速度很快。双马来酰亚胺树脂是由聚酰亚胺树脂体系衍生而成的树脂体系，它是由两分子的马来酸酐与一分子的二元胺反应生成双马来酰胺酸，再经过脱水环化生成。BMI 的耐湿性和耐热性均优于环氧树脂，但是固化物呈现较大脆性。通过和多种化合物共聚合采用新型增韧剂增韧改型，目前已经获得了冲击后压缩强度（CAI）值达 296 MPa，最高使用温度达 177 ℃ 的BMI 复合材料。 １．２　纤维 纤维是复合材料中的增强体，具有承担载荷的作用，是复合材料的重要组成部分。目前应用较为广泛的是碳纤维和玻璃纤维。１．２．１　玻璃纤维 玻璃纤维（glass fiber，简称GF）是一种非金属材料，性能优异，种类繁多，具有良好的耐绝缘性和抗腐蚀性，同时具有耐热性强和机械强度高等特点，但脆性和耐磨性较差。除了四氢呋喃（THF）以外对于一般物质则有着较好的耐腐蚀性。对于玻璃纤维复合材料而言，玻璃纤维织物的编织方式极为重要，平纹布只用于简单的零件，缎纹布则适用于成型复杂的组件。１．２．２　碳纤维 由于玻璃纤维模量低，不能满足宇航工业中的受力结构需求，因此在20世纪60年代，开始发展性能更加优异的碳纤维复合材料。碳纤维（Carbon Fibre，简称CF），是一种含碳量在95%以上，具有高强度高模量的高性能纤维材料。碳纤维是由片状石墨微晶等有机纤维材料，沿着纤维的轴向方向堆砌而成，经过碳化和石墨化处理后，得到的微晶石磨材料。碳纤维具有良好的耐高低温性能，在空气隔绝的条件下，2000 ℃ 依然有一定强度；在液氮氛围下也不会脆断。 ２　在航空航天领域的应用现状 ２．１　国外应用现状 复合材料中，最早开发并应用的是GF 树脂基复合材料。20世纪40年代，美国首先在军用雷达罩、飞机油箱上应用了玻璃纤维与不饱和聚酯树脂的复合材料。但是到了60年 先进复合材料在航空航天领域的应用 周苑生 （浙江长征中学，浙江 杭州 310011） 摘 要：先进复合材料由于具有多功能性、结构整体性、可设计性等众多优良特点，在各个领域被广泛推广和使用，而复合材料应用量最大，技术含量最高的是航空航天领域。本文简要描述了先进复合材料的组成及发展现状，并介绍了先进复合材料在航空航天领域的国内外应用，同时以此为依据，提出对于我国在低成本复合材料制造方面的展望与想法。关键词：复合材料；航空航；树脂基体；纤维中图分类号：V257 文献标志码：A

先进复合材料在航空航天中的应用及发展

先进复合材料在航空航天中的应用及发展 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

摘要：21世纪是新型材料为物质基础的时代。各种高分子材料以它优异的性能在各种方面领域有广泛的应用。在飞机制造工业中，由于高分子材料的使用，飞机本身的质量的减轻性能更加稳定的同时也减少了能源的消耗。本文主要是列举了几种常见的高分子材料在飞机上的应用。 关键词：航空航天；国防 1. 前言 材料是人们生活和生产必须的物质基础。也是人类进化的重要里程碑。材料科学主要研究材料的成分、分子或原子机构、微观及宏观组织以及加工制造工艺和性能之间的关系。它是一门边缘新科学，主要一固态物理和固态化学、晶体学、热力学等位基础，结合冶金化工及各种高新科技术来探讨材料内在规律和应用。材料是人类用来制造、构件、器件和其他产品的物质。但并不是所有物质都可称为材料，如燃料和化工原料、工业化学品、食物和药品等，一般都不算作材料。 2.材料可按多种方法进行分类。 按属性分为金属材料、无机非金属材料、有机材料和复合材料。按用途分为电子材料、宇航材料、建筑材料、、生物材料等。实际应用中又常分为和。结构材料是以性质为基础，用以制造以受力为主的构件。结构材料也有或化学性质的要求，如光泽、热导率、抗辐照能力、抗氧化、抗腐蚀能力等，根据材料用途不同，对

性能的要求也不一样。功能材料主要是利用物质的物理、化学性质或现象等对外界变化产生的不同反应而制成的一类材料。如、超导材料、、等。 材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代，人们把信息、材料和作为社会文明的。80年代，随着高技术群的兴起，又把新材料与信息技术、并列作为新技术革命的重要标志。现代社会，材料已成为建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。 3.材料的发展简史 人类社会的发展历程，是以材料为主要标志的。100万年以前，原始人以石头作为工具，称旧。1万年以前，人类对石器进行加工，使之成为器皿和精致的工具，从而进入新石器时代。新石器时代后期，出现了利用粘土烧制的陶器。人类在寻找石器中认识了矿石，并在烧陶生产中发展了冶铜术，开创了。5000年，人类进入青铜器时代。公元前1200年，人类开始使用铸铁，从而进入了。随着技术的进步，又发展了钢的制造技术。18世纪，钢铁工业的发展，成为产业革命的重要内容和物质基础。19世纪中叶，现代平炉和转炉炼钢技术的出现，使人类真正进入了钢铁时代。与此同时，铜、铅、锌也大量得到应用，铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。直到20世纪中叶，金属材料在材料工业中一直占有主导地位。20世纪中叶以后，迅猛发展，作为发明之母和产业粮食的新材料又出现了划时代的变化。首先是人工合成问世，并得到广泛应用。先后出现尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及维尼