淺析先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天

都禹辰（黑龍江省大慶實驗中學(xué)，黑龍江 大慶 163316）

淺析先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天

都禹辰（黑龍江省大慶實驗中學(xué)，黑龍江 大慶 163316）

近幾年我國航空航天事業(yè)發(fā)展迅猛，取得了很大成績，在這成功的背后先進(jìn)復(fù)合材料功不可沒。本文從先進(jìn)復(fù)合材料是航空航天的重要物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)技術(shù)入手，指出了它具有可設(shè)計性、多功能性和發(fā)展性等優(yōu)點(diǎn)，同時分析了先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，最后提出了我國先進(jìn)復(fù)合材料可持續(xù)研發(fā)與應(yīng)用中急需解決的問題。

先進(jìn)復(fù)合材料；航空航天；低成本

1 先進(jìn)復(fù)合材料是航空航天的重要物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)技術(shù)

1.1 先進(jìn)復(fù)合材料已成為四大類材料之一

由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的這種新型材料被稱作復(fù)合材料，它與金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料被稱為四大材料。復(fù)合材料通過對多種原材料進(jìn)行重新加工與組合之后形成的材料不僅具有原材料本身的特點(diǎn)，同時使得各種材料之間優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)有了更強(qiáng)的性能，因此它比普通的材料更高級，性能更優(yōu)越，應(yīng)用更廣泛。

1.2 先進(jìn)復(fù)合材料的優(yōu)越性

先進(jìn)復(fù)合材料公認(rèn)的優(yōu)點(diǎn)有高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減震性好、破損安全性好、性能可設(shè)計等。與傳統(tǒng)材料相比,復(fù)合材料具有以下特點(diǎn):

1.2.1 可設(shè)計性和各向異性。

一般來說，不同的環(huán)境、不同的條件對所使用的材料而要求是不一樣的，因此要根據(jù)具體需求來選擇材料。如果我們選用普通材料的話，一般想要達(dá)到這樣的效果難度是相當(dāng)大的，但這一點(diǎn)復(fù)合材料卻很容易就能做到。通常的做法是按照需求選擇具有相對應(yīng)特點(diǎn)的普通材料，然后將這些普通材料進(jìn)行加工，從而使他們達(dá)到我們所需要的性能。復(fù)合材料具有各向異性，因此在一定程度上我們可以通過他的這種功能來節(jié)省材料，從而使材料的利用率達(dá)到最大。

1.2.2 材料與結(jié)構(gòu)一體化。

我們之前在做復(fù)合材料構(gòu)件時，都是先將復(fù)合材料進(jìn)行加工，加工完成后才能夠形成復(fù)合材料構(gòu)件，而現(xiàn)在有了復(fù)合材料，我們就不再需要這么麻煩，因為兩者可以同時形成，這樣不僅使得我們得到的東西是一個完整的整體，還縮短了制作時間。

1.2.3 復(fù)合效應(yīng)。

復(fù)合材料不是簡單地將幾種材料進(jìn)行混合加工就可以了，而是要對預(yù)期的性能進(jìn)行分析，同時分析哪些材料具有這些性能，從而將具有這些性能的材料進(jìn)行加工，這樣通過復(fù)合效應(yīng)加工出來的材料才是能夠達(dá)到我們使用要求的材料。

1.3 先進(jìn)復(fù)合材料已發(fā)展成為航空航天結(jié)構(gòu)的基本材料

將先進(jìn)復(fù)合材料用于航空航天結(jié)構(gòu)上可相應(yīng)減重20%～30%,這是其他先進(jìn)技術(shù)很難達(dá)到的效果。美國NASA的Lang?ley研究中心在航空航天用先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展報告中指出,各種先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用可以使亞音速運(yùn)輸機(jī)獲得51%的減重(相對于起飛重量)效益,其中,氣動設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)減重416%,復(fù)合材料機(jī)翼機(jī)身和氣動剪裁技術(shù)減重2413%,發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和熱結(jié)構(gòu)設(shè)計減重13.1%,先進(jìn)導(dǎo)航與飛行控制系統(tǒng)減重9%,說明了先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用減重最明顯。

在航空材料的使用上，我們更強(qiáng)調(diào)的是其性能和可靠性，而經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)先進(jìn)復(fù)合材料不僅可以減重，同時可以使飛機(jī)結(jié)構(gòu)的其他性能在一定程度上得到提高。

2 我國先進(jìn)復(fù)合材料可持續(xù)研發(fā)與應(yīng)用中急需解決的問題

2.1 國產(chǎn)碳纖維

我們都知道碳纖維有很強(qiáng)的穩(wěn)固性，是重要的增強(qiáng)材料，但是就我國目前關(guān)于碳纖維的研發(fā)和生產(chǎn)情況來看，存在的問題還不小，主要表現(xiàn)在：原絲質(zhì)量差、生產(chǎn)規(guī)模小、質(zhì)量不高但是價格高以及研究力度不夠等。而我國對復(fù)合材料的需求比較大，因此要盡快解決這些問題，加強(qiáng)在這一方面的能力，制造出比較優(yōu)質(zhì)的碳纖維。

2.2 低成本復(fù)合材料技術(shù)

目前來說我國復(fù)合材料的成本還是太高。舉例來說研制機(jī)翼，碳纖維樹脂基復(fù)合材料每千克成本價為9600元,其中碳纖維約為1000元,樹脂約為300元,纖維和基體的成本在總成本中占有份額小于15%,設(shè)計成本小于5%,而制造成本卻高達(dá)80%。這樣高成本的制造，使得很多商家不愿意從事這一行業(yè)，而要想降低制造成本，我們可以要對制造過程進(jìn)行優(yōu)化處理，對工藝的要求也要提高，避免因浪費(fèi)等因素影響制造成本。此外，我們可以使用機(jī)器，因為相對于人工來說，使用機(jī)械操作不僅在一定程度減少了制造成本，同時提高了制造效率，但是目前我國在這一方面的資源還比較匱乏，因此引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備是有必要的。

2.3 先進(jìn)復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論與方法

在復(fù)合材料的設(shè)計過程中設(shè)計師起著至關(guān)重要的作用。要想設(shè)計出符合要求的復(fù)合材料，首先要有正確的設(shè)計理念，設(shè)計師只有深刻理解了設(shè)計理念，接下來要考慮的才是設(shè)計師的專業(yè)技能問題，他的知識技能與儲備是否能夠滿足設(shè)計的需求。復(fù)合材料的設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，它涉及很多方面的問題，包括：設(shè)計準(zhǔn)則、設(shè)計數(shù)據(jù)是否精準(zhǔn)，這些都是需要設(shè)計師考慮的問題。同時還應(yīng)考慮它的成本、性能、周期等問題。因此在復(fù)合材料的設(shè)計過程中要要個按照規(guī)范來操作。

結(jié)論：從文中我們知道了先進(jìn)復(fù)合材料對航空航天的重要性，因此我國從現(xiàn)在開始抓緊復(fù)合材料的研究還為時不晚，這樣不但可以解決我國航空航天當(dāng)中的問題，同時可以縮小我國航空航天水平與世界先進(jìn)水平之間的差距。所以從現(xiàn)在開始要加大碳纖維的研究力度，同時加強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計方面的技術(shù)及工藝中的問題，這樣我國的航天航空技術(shù)才能更上一個臺階。

[1]霍肖旭,曾曉梅.炭纖維復(fù)合材料在固體火箭上的應(yīng)用[J].固體火箭發(fā)動機(jī)復(fù)合材料工藝.2000,1:55-61.

[2]趙渠森.先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)用復(fù)合材料樹脂基體[J].高科技纖維與應(yīng)用，2000,25（2）：1-7.