先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

湯旭　李征　孫程陽(yáng)

摘要：先進(jìn)復(fù)合材料由于具有多功能性、經(jīng)濟(jì)效益最大化、結(jié)構(gòu)整體性、可設(shè)計(jì)性等眾多特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛推廣和利用，特別是在航空航天領(lǐng)域。文章分析了我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料進(jìn)行了簡(jiǎn)介，分別針對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域、航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，最后探析了復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)復(fù)合材料；航空航天領(lǐng)域；飛船；衛(wèi)星；火箭；飛機(jī) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：V257 文章編號(hào)：1009-2374（2016）13-0039-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.019

1 概述

現(xiàn)階段，我國(guó)航空航天事業(yè)得到前所未有的發(fā)展，航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊蟛粩嗵嵘?，為了滿(mǎn)足航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊?，?yīng)該研發(fā)新型、高性能的材料，先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，其具有多功能性、經(jīng)濟(jì)效益最大化、結(jié)構(gòu)整體性以及可設(shè)計(jì)性等眾多特點(diǎn)。將先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，能夠有效地提高現(xiàn)代航空航天器的性能，減輕其質(zhì)量。和傳統(tǒng)鋼、鋁材料相比，先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用，能夠減輕航天航空器結(jié)構(gòu)重量的30%左右，在提高航空航天器性能的同時(shí)，還能降低制造和發(fā)射成本?，F(xiàn)階段，先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)成為飛船、衛(wèi)星、火箭、飛機(jī)等現(xiàn)代航空航天器的理想材料，同時(shí)，先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)和高分子材料、無(wú)機(jī)非金屬材料及金屬材料并列為四大材料。因此，文章針對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，我國(guó)就開(kāi)始了對(duì)復(fù)合材料的研究工作，經(jīng)過(guò)40多年的研究與發(fā)展，我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料的技術(shù)水平不斷提高，并且取得了可喜的進(jìn)步?，F(xiàn)階段，我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用，逐漸實(shí)現(xiàn)了從次承力構(gòu)件向主承力構(gòu)件的轉(zhuǎn)變，被廣泛地推廣和應(yīng)用在軍機(jī)、民機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、新型驗(yàn)證機(jī)和無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星和宇航器、導(dǎo)彈以及火箭等領(lǐng)域，即先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)踐應(yīng)用階段。但是，我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展和研究成果與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的水平還具有一定的差距，現(xiàn)階段我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)理念、制備方法、加工設(shè)備、生產(chǎn)工藝以及應(yīng)用規(guī)模等都相對(duì)落后。例如，我國(guó)軍用戰(zhàn)斗機(jī)中復(fù)合材料的用量低于國(guó)外先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料用量，僅有少數(shù)的軍用戰(zhàn)斗機(jī)超過(guò)20%，例如J-20其復(fù)合材料的用量約為27%。我國(guó)成功研制的C919大型民用飛機(jī)，單架飛機(jī)的先進(jìn)復(fù)合材料的用量超過(guò)16噸，標(biāo)志著我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用水平在不斷提高。

3 先進(jìn)復(fù)合材料簡(jiǎn)介

3.1 先進(jìn)復(fù)合材料的組成

復(fù)合材料是由金屬、無(wú)機(jī)非金屬、有機(jī)高分子等若干種材料采用復(fù)合工藝組成的新興材料，先進(jìn)復(fù)合材料不僅能夠保留原有組成材料的特點(diǎn)，還能夠?qū)Ω鞣N組成材料的優(yōu)良性能進(jìn)行綜合，各種材料性能的相互補(bǔ)充和關(guān)聯(lián)，能夠賦予新興復(fù)合材料無(wú)法比擬的優(yōu)越性能。先進(jìn)復(fù)合材料簡(jiǎn)稱(chēng)ACM，指的是碳纖維等高性能增強(qiáng)相增強(qiáng)的復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料的多種性能都優(yōu)于普通鋼、鋁金屬材料，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠有效地減輕航空航天設(shè)備的重量，同時(shí)賦予航空航天設(shè)備特殊的性能，例如吸波、防熱等。

3.2 先進(jìn)復(fù)合材料的特性

先進(jìn)復(fù)合材料的特性主要表現(xiàn)為：

3.2.1 多功能性。先進(jìn)復(fù)合材料經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，結(jié)合了眾多優(yōu)異的物理性能、力學(xué)性能、生物性能以及化學(xué)性能，例如防熱性能、阻燃性能、屏蔽性能、吸波性能、半導(dǎo)性能、超導(dǎo)性能等，并且不同的先進(jìn)復(fù)合材料的組成不同，其功能性存在一定的差別，綜合性、多功能性復(fù)合材料已經(jīng)成為先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展的必然趨勢(shì)之一。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)效益最大化。先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠減少產(chǎn)品部件數(shù)量。由于復(fù)雜部件的連接不需要進(jìn)行鉚接、焊接，因此對(duì)連接部件的需求量降低，有效地減少了裝配材料成本、裝配和連接時(shí)間，進(jìn)一步降低了成本。

3.2.3 結(jié)構(gòu)整體性。先進(jìn)復(fù)合材料可以加工成整體部件，即采用先進(jìn)復(fù)合材料部件能夠替代若干金屬部件。某些特殊輪廓和表面復(fù)雜的部件，用金屬制造的可行性較低，采用先進(jìn)復(fù)合材料能夠很好地滿(mǎn)足實(shí)際需求。

3.2.4 可設(shè)計(jì)性。采用樹(shù)脂、纖維、復(fù)合結(jié)構(gòu)方式，能夠獲得不同形狀、不同性能的復(fù)合材料，例如選擇合適的材料、鋪層程序，能夠加工出膨脹系數(shù)為零的復(fù)合材料，并且復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)金屬材料。

4 先進(jìn)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

傳統(tǒng)的飛機(jī)制造以鋼、鋁、鈦合金為主要材料，而傳統(tǒng)飛機(jī)上應(yīng)用比例最大、構(gòu)成輕質(zhì)結(jié)構(gòu)主體的鋁合金正在被越來(lái)越流行的復(fù)合材料所替代。我們所指的復(fù)合材料主要是以高性能纖維作為增強(qiáng)體，用樹(shù)脂作為基體將纖維粘結(jié)在內(nèi)部并固化成型的高性能塑料。隨著復(fù)合材料的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，當(dāng)前先進(jìn)的復(fù)合材料在飛機(jī)上的關(guān)鍵應(yīng)用部位和用量的多少，已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。由于碳纖維材料具有耐高溫、密度低、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，目前在航空航天領(lǐng)域運(yùn)用最為廣泛。與密度達(dá)到2.8g/cm3左右的鋁合金相比，先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料密度一般在1.45～1.6g/cm3左右；而拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到1.5GMPa以上，超過(guò)鋁合金部件的3倍，接近超高強(qiáng)度合金鋼制部件的水平。這種密度低、強(qiáng)度剛度高的優(yōu)勢(shì)，使飛機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件在獲得與先進(jìn)鋁合金部件在強(qiáng)度剛度等綜合性能方面相當(dāng)?shù)乃綍r(shí)，重量可以大幅減少20%～30%。復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況大致可以分為三個(gè)階段：第一階段是應(yīng)用于受載不大的簡(jiǎn)單零部件，可減重20%；第二階段是應(yīng)用于承力大的部件，可減重25%～30%；第三階段是應(yīng)用于復(fù)雜受力部位，如中機(jī)身段、中央翼盒等，可減重30%。復(fù)合材料主要用于制造航空器的外飾和內(nèi)飾部件，如飛機(jī)的一次構(gòu)造材料：主翼、尾翼、機(jī)體，二次構(gòu)造材料，副翼、方向舵、升降舵、內(nèi)裝材料、地板材、桁梁、剎車(chē)片等及直升飛機(jī)的葉片。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，小型商務(wù)機(jī)和直升飛機(jī)的碳纖維復(fù)合材料用量已占55%左右，軍用飛機(jī)占25%左右，大型客機(jī)占20%左右。

4.1 軍機(jī)上的應(yīng)用

為滿(mǎn)足新一代戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)高機(jī)動(dòng)性、超音速巡航及隱身的需求，20世紀(jì)90年代后，西方戰(zhàn)斗機(jī)全部大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。先進(jìn)的復(fù)合材料也大大增加了軍用運(yùn)輸機(jī)的有效載重，增大了軍用飛機(jī)的載油量，克服常規(guī)材料在高超聲速飛行器研制中存在的瓶頸問(wèn)題。因此，先進(jìn)復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用在軍機(jī)上，例如，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，在軍機(jī)主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)以及特殊部位等方面的應(yīng)用，有效地提高了軍機(jī)的耐腐蝕性、抗疲勞性，同時(shí)還具有明顯的減重效果；再如，F(xiàn)22由于存在超聲速巡航需求，飛機(jī)外表面會(huì)長(zhǎng)時(shí)間與空氣高速劇烈摩擦，因此在機(jī)翼復(fù)合材料上放棄了環(huán)氧基樹(shù)脂，而使用雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂基體以獲得260℃的最大工作溫度。

4.2 民機(jī)上的應(yīng)用

民機(jī)和軍用飛機(jī)不同，民用飛機(jī)作為以載客飛行和運(yùn)營(yíng)為目的的交通工具，對(duì)安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求更加嚴(yán)格。復(fù)合材料在飛機(jī)上大量應(yīng)用的時(shí)間還比較短，在對(duì)材料工藝穩(wěn)定性和有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不十分充分的情況下，應(yīng)用較多含量的復(fù)合材料需要大量時(shí)間和實(shí)踐的積累。民航上的復(fù)合材料應(yīng)用受限，使用分為兩類(lèi)：結(jié)構(gòu)件用復(fù)合材料、艙內(nèi)材料。

以波音787為例，每架飛機(jī)的結(jié)構(gòu)比例中有50%是重約35噸的復(fù)合材料，這意味著它從材料密度上就減輕了15噸左右的重量。而空客也不甘示弱，新的A350客機(jī)改名為A-350 XWB，XWB意為超寬機(jī)身，復(fù)合材料的比例達(dá)到了52%，是現(xiàn)在所有大型商用飛機(jī)中最高的。A-350XWB的機(jī)體比B-787還寬13cm。作為世界上僅有的兩個(gè)大型商用飛機(jī)研制巨頭，波音、空客先后推出復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)比例50%的主力型號(hào)，這意味著大型客機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以復(fù)合材料為主要材料的時(shí)代已經(jīng)拉開(kāi)序幕。波音787等新一代復(fù)合材料飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)的性能提升，并不僅僅是依靠低密度材料減重得來(lái)。實(shí)際上復(fù)合材料在工藝、結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)上，都有著傳統(tǒng)金屬材料所完全無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，比如復(fù)合材料可以做出超大尺寸的整體結(jié)構(gòu)部件，而且尺寸大小不會(huì)隨著溫度高低而產(chǎn)生變化。

國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)在復(fù)合材料的應(yīng)用上還比較保守，公開(kāi)的報(bào)道顯示，復(fù)合材料的使用量約占C919飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的20%。飛機(jī)上使用的復(fù)合材料主要是碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，它們具有高耐腐蝕、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，在這些性能上的確要超過(guò)一般的金屬材料。通常復(fù)合材料的價(jià)格大約是常規(guī)鋁合金材料的幾十倍，即便是我們看起來(lái)已經(jīng)很金貴的鋁鋰合金材料，其價(jià)格也比復(fù)合材料低得多，所以C919僅為波音737價(jià)格的1/2左右。

4.3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

對(duì)于航空領(lǐng)域，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造而言，高性能系統(tǒng)所需的輕質(zhì)和耐高溫等特性越來(lái)越重要。航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)是指渦扇/渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)以及航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的集研發(fā)、生產(chǎn)、維修保障服務(wù)于一體化產(chǎn)業(yè)集群。新的材料和工藝不斷研發(fā)以應(yīng)對(duì)新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，尤其是先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用，GE-AEBG公司、惠普公司在制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件時(shí)都采用了先進(jìn)復(fù)合材料，主要包括風(fēng)扇出風(fēng)道導(dǎo)流片、風(fēng)扇罩、推力反向器等部位。先進(jìn)復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

4.3.1 陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用。陶瓷基復(fù)合材料是將碳化硅陶瓷纖維與碳化硅基底材料復(fù)合后，再涂覆一層專(zhuān)用涂層提升其性能，密度僅為金屬材料的三分之一。由于陶瓷基復(fù)合材料具有的耐高溫屬性，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)流道中使用空氣代替，在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫區(qū)只需要較少甚至不需要冷卻氣體，渦輪扇發(fā)動(dòng)機(jī)大幅減重，意味著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率更高，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、耐久性、燃油經(jīng)濟(jì)性和高推重比。F-35戰(zhàn)斗機(jī)使用的F135發(fā)動(dòng)機(jī)是有史以來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)上安裝過(guò)的推力最大的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，F(xiàn)135使用了陶瓷基復(fù)合材料（CMC），主要用在F135-PW-600噴管的外側(cè)部分。

以GE航空集團(tuán)為例，陶瓷基復(fù)合材料在GE航空集團(tuán)的技術(shù)路線(xiàn)圖上是一條關(guān)鍵路徑。通用電氣航空集團(tuán)將于2016年新建兩個(gè)復(fù)合材料制造廠，用于碳化硅和陶瓷基復(fù)合材料的批量制造，這兩種復(fù)合材料都是制造噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的必備材料。GE公司是所有廠商中第一個(gè)決定使用CMC制造旋轉(zhuǎn)葉片的，通過(guò)把陶瓷基復(fù)合材料葉片安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上試車(chē)，它們已經(jīng)證明了旋轉(zhuǎn)CMC葉片的性能，這是一個(gè)重要的里程碑。

4.3.2 樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用。樹(shù)脂基復(fù)合材料具有降噪能力強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)、耐疲勞能力好、比模量高、強(qiáng)度高等眾多優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)將樹(shù)脂基復(fù)合材料應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端結(jié)構(gòu)、反推力裝置以及發(fā)動(dòng)機(jī)短艙等結(jié)構(gòu)上，不僅能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，還能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的耐腐蝕性、抗疲勞性以及強(qiáng)度等。例如，JTAGG驗(yàn)證機(jī)的進(jìn)氣機(jī)匣利用PMR15樹(shù)脂基復(fù)合材料，該種先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用比傳統(tǒng)鋁合金進(jìn)氣機(jī)匣的重量降低了25%。

4.4 新型驗(yàn)證機(jī)及無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)理念的改變，使無(wú)人機(jī)倍受青睞，無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)是未來(lái)航空武器的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。無(wú)人機(jī)除在情報(bào)、監(jiān)視、偵察等信息化作戰(zhàn)中的特殊作用外，還能在突防、核戰(zhàn)、化學(xué)和生物武器戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮有人軍機(jī)無(wú)法替代的作用。無(wú)人機(jī)的發(fā)展方向是飛行更高、更遠(yuǎn)、更長(zhǎng)，隱身性能更好，制造更加簡(jiǎn)便快捷，成本更低等，其中關(guān)鍵技術(shù)之一就是大量采用復(fù)合材料，超輕超大復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)是提高其續(xù)航能力、生存能力、可靠性和有效載荷能力的關(guān)鍵。和傳統(tǒng)的鋁合金混合結(jié)構(gòu)相比，以復(fù)合材料為結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)，例如“全球鷹”“捕食者”等無(wú)人機(jī)都采用先進(jìn)復(fù)合材料。以“全球鷹”為例，該種無(wú)人機(jī)的機(jī)翼、尾翼都采用石墨/環(huán)氧復(fù)合材料，采用該種復(fù)合材料制造的無(wú)人機(jī)，和傳統(tǒng)鋁合金混合結(jié)構(gòu)的重量相比降低了65%。再如，諾斯羅普·格魯門(mén)公司研發(fā)的X-47無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)，為了滿(mǎn)足生存力、機(jī)動(dòng)性、隱身性能等特殊要求，該無(wú)人機(jī)除了接頭部位采用了少量的鋁合金外，幾乎整個(gè)機(jī)體都采用先進(jìn)復(fù)合材料。依靠復(fù)合材料，設(shè)計(jì)師還可以做出傳統(tǒng)金屬材料所無(wú)法達(dá)成的氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，比如超聲速飛行的前掠翼飛機(jī)。

5 先進(jìn)復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

5.1 衛(wèi)星和宇航器結(jié)構(gòu)材料

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的質(zhì)量會(huì)影響對(duì)運(yùn)載火箭的要求以及衛(wèi)星功能，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的輕型化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)之一。國(guó)際通訊衛(wèi)星中心的推力桶采用先進(jìn)復(fù)合材料，該種推力桶質(zhì)量比傳統(tǒng)鋁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量降低了30%左右，降低的重量可以增加460條電話(huà)線(xiàn)路，同時(shí)還能夠有效地降低衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用。歐美國(guó)家衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為總質(zhì)量的1/10，其原因就是大量的應(yīng)用了先進(jìn)復(fù)合材料?，F(xiàn)階段，我國(guó)神州系列飛船、風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星等都采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，有效地降低了總體重量，同時(shí)發(fā)射成本也顯著降低。

5.2 導(dǎo)彈用結(jié)構(gòu)材料

現(xiàn)階段，美國(guó)已經(jīng)將先進(jìn)復(fù)合材料作為導(dǎo)彈彈頭結(jié)構(gòu)殼體、級(jí)間段、儀器艙等部件的主要材料，洛克希德導(dǎo)彈與宇航公司指出，采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料制造的導(dǎo)彈比傳統(tǒng)鋁結(jié)構(gòu)導(dǎo)彈的重量減輕40%?，F(xiàn)階段，采用先進(jìn)復(fù)合材料的導(dǎo)彈發(fā)射筒也被國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用在戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略型號(hào)上，例如，俄羅斯的“白楊M”導(dǎo)彈、美國(guó)的“MX”導(dǎo)彈都采用復(fù)合材料發(fā)射筒。因?yàn)橄冗M(jìn)復(fù)合材料導(dǎo)彈發(fā)射筒和傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)相比，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量顯著降低，能有效地提高戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的靈活性。在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈領(lǐng)域，先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的導(dǎo)彈發(fā)射筒更加靈活、應(yīng)用范圍更加廣泛。現(xiàn)階段，我國(guó)也研發(fā)了先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略導(dǎo)彈和導(dǎo)彈發(fā)射筒，還研發(fā)了先進(jìn)復(fù)合材料儀器艙，有效地提高了戰(zhàn)略導(dǎo)彈的靈活性和機(jī)動(dòng)性，應(yīng)用效果良好。

5.3 運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)材料

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家于20世紀(jì)50年代開(kāi)始應(yīng)用纖維纏繞成型的玻璃鋼殼體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼殼，例如，美國(guó)的“北極星A-3”潛地導(dǎo)彈，采用纖維纏繞成型的玻璃鋼殼體，其重量比采用傳統(tǒng)鋼殼的“A-1”輕了55%左右，隨后研發(fā)的“MX”“三叉戟1”的三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，全部都采用芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料，該種結(jié)構(gòu)形式的殼體質(zhì)量比纖維纏繞成型玻璃體殼體的重量減輕了50%左右。隨著先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展，其在運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，并且先進(jìn)復(fù)合材料被應(yīng)用在三叉戟Ⅱ、德?tīng)査?7925運(yùn)載火箭等型號(hào)中?，F(xiàn)階段，我國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體制造業(yè)逐漸的開(kāi)始應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料，雖然起步較晚，但是經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展獲得了巨大的進(jìn)步，經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，已經(jīng)成功地將芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料、玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料應(yīng)用在運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體中。先進(jìn)復(fù)合材料在運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，有效地降低了運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，同時(shí)提高了運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

6 復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展前景

先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用已經(jīng)成為評(píng)價(jià)航空航天器水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是提高航空航天器結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)技術(shù)。由于我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用水平和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定的差距，但是我國(guó)已經(jīng)進(jìn)行大量投入來(lái)強(qiáng)化先進(jìn)復(fù)合材料方面的研究，其發(fā)展前景良好。未來(lái)先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

6.1 智能化

智能型先進(jìn)復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)的研究，能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，智能型先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天器外表的應(yīng)用：在未來(lái)航空器表面增加各種傳感器，能夠?qū)χ車(chē)h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)、全面、智能的檢測(cè)，同時(shí)為通訊系統(tǒng)、電子戰(zhàn)以及雷達(dá)系統(tǒng)提供瞬時(shí)模態(tài)，以此保證航空器能夠安全、穩(wěn)定地飛行。

6.2 多功能化

在減小航空航天器體積的基礎(chǔ)上，為了提高航空航天器的突防能力，許多結(jié)構(gòu)部件需要具備多種功能，多功能先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用能夠賦予航空航天器新的功能，現(xiàn)階段，多功能先進(jìn)復(fù)合材料的研究已經(jīng)從雙功能型向三功能型方向轉(zhuǎn)變。

6.3 質(zhì)量輕、性能高

目前，我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料能夠減輕航空航天器的質(zhì)量占總重的20%左右，和國(guó)外25%以上的減重效率還存在一定的差距。導(dǎo)致該種現(xiàn)狀的原因是我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料的整體性能較低，并且結(jié)構(gòu)的整體性相對(duì)較差。因此，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度、韌性以及整體性等方面的研究，研發(fā)整體性好、強(qiáng)度高和韌性高的先進(jìn)復(fù)合材料，同時(shí)使復(fù)合材料的減重率超過(guò)25%。

6.4 低成本

成本較高是限制先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用和發(fā)展的主要原因之一，為了解決該問(wèn)題，應(yīng)該對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的制造工藝進(jìn)行研究，采用科學(xué)的制造工藝進(jìn)行先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、尺寸以及形狀的加工和制造，同時(shí)采用先進(jìn)的質(zhì)量控制技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)械化技術(shù)等，提高先進(jìn)復(fù)合材料的生產(chǎn)效率，提高其成品率，以此降低先進(jìn)復(fù)合材料的成本。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料工業(yè)逐漸形成了一個(gè)完整的體系，并且部分先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)成功地應(yīng)用在航空航天器生產(chǎn)實(shí)踐中，獲得了良好的效果。但是，從整體上來(lái)說(shuō)我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)水平和發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定的差距。因此，我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料研究、研發(fā)人員和生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該加快先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、制造技術(shù)、生產(chǎn)工藝等方面的研究，同時(shí)借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，解決我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的各種難題，以此提高我國(guó)航空航天器的各種性能，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)航空航天領(lǐng)域的全面、高速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王衡.先進(jìn)復(fù)合材料在軍用固定翼飛機(jī)上的發(fā)展歷程

及前景展望[J].纖維復(fù)合材料，2014，（4）.

[2]朱晉生，王卓，歐峰.先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域

的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2012，（9）.

[3]吳良義.先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用擴(kuò)展：航空、航天和民

用航空先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)和市場(chǎng)預(yù)測(cè)[J].化工新

型材料，2012，40（1）.

[4]何東曉.先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天的應(yīng)用綜述[J].高

科技纖維與應(yīng)用，2006，31（2）.

[5]劉強(qiáng).碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J].科

技與企業(yè)，2015，（22）.

[6]高琳.智能復(fù)合材料在航空、航天領(lǐng)域的研究應(yīng)用

[J].纖維復(fù)合材料，2014，（1）.

[7]徐倩.航空碳纖維復(fù)合材料切削研究[D].北方工業(yè)大

學(xué)，2010.

[8]施晶晶.航空復(fù)合材料可重入制造過(guò)程建模與調(diào)度方

法研究[D].南京航空航天大學(xué)，2014.

[9]沈軍，謝懷勤.先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的研發(fā)

與應(yīng)用[J].材料科學(xué)與工藝，2008，16（5）.

[10]王春凈，代云霏.碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)

用[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2010，23（2）.

[11]Yin-hsuan Lee，Chuei-Tin Chang，David Shan-

Hill Wong，Shi-Shang Jang.Petri-net based

scheduling strategy for semiconductor manufacturing

processes[J].Chemical Engineering Research and

Design，2011，89（3）.

[12]El-Khouly I.A.，El-Kilany，K.S.El-Sayed，

A.E.Modeling and simulation of re-entrant flow

shop scheduling：an application in semiconductor

manufacturing[A].2009 International Conference on

Computers&Industrial Engineering（CIE39）[C].2009.

（責(zé)任編輯：蔣建華）