探究航空航天領(lǐng)域中先進性復合材料的實際應用

翟恩滋

摘 要：目前，新材料已經(jīng)朝著復合化發(fā)展，而先進復合材料則作為航空航天結(jié)構(gòu)的一種基本材料得到了推廣應用。其獨具優(yōu)勢的特點不但包括較佳的耐高溫與耐疲勞特性，還包括較高的比強度與比模量，并且在大面積整體成型方面都具有比較便利的突出優(yōu)勢，在飛機的材料應用上，不斷地獲得更高的重視。筆者將針對發(fā)展前景極佳的先進復合材料在航天航空領(lǐng)域的運用進行分析與探討。

關(guān)鍵詞：新材料 復合化 航空飛機 優(yōu)勢

中圖分類號：V257 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（c）-0004-02

與鋁合金結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)材料等傳統(tǒng)材料相比，先進性復合材料在綜合性能上更具優(yōu)勢，其用量成為了代表著航空航天先進性的一個標志，占據(jù)著重要的地位。我國若要在競爭激烈的世界市場中站穩(wěn)腳跟并且不斷向前發(fā)展，就要對先進性復合材料這一被全球強國重視的核心技術(shù)進行深入研究與重點發(fā)展。

1 先進復合材料的基本定義

先進復合材料，簡稱ACM，即是在進行主承力結(jié)構(gòu)與次承力結(jié)構(gòu)等加工過程中，可以運用的剛度性能以及強度性能≥鋁合金等傳統(tǒng)材料的一種復合材料，不但在質(zhì)量的輕度上占據(jù)優(yōu)勢，其比強度、比模量都更加高，還具有抗腐蝕、耐高溫與低溫、減震隔音及隔熱的良好性能，并且具有較佳的延展性，如今被大量地推廣應用在建筑行業(yè)、機械制造行業(yè)、醫(yī)學行業(yè)以及航空航天行業(yè)等領(lǐng)域中[1]。

2 先進復合材料的特點

作為當今時代的主導材料，復合材料有著以下一些特點：首先是可設(shè)計性與各向異性，根據(jù)構(gòu)件的使用要求與環(huán)境條件，可以在設(shè)計環(huán)節(jié)進行合理的組分材料選擇、材料匹配，并且通過界面控制盡可能地滿足預期要求，達到工程結(jié)構(gòu)所需性能的標準要求。傳統(tǒng)材料的運用上常見的材料冗余問題也可以很好地避免，實現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)的效能最大化。其次，復合材料的構(gòu)件和材料一起形成，提高了結(jié)構(gòu)的整體性能，無需過多的零部件，實現(xiàn)了加工周期的縮短與成本的減少。然后，復合材料在其復合效應下形成新性能，并不存在單一材料或幾種材料簡單混合的性能缺陷問題。

再者，復合材料能產(chǎn)生很多功能，比如吸波和透波、防熱和導電、透析和阻燃等等一系列功能，在結(jié)合其他先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，形成一種新復合材料，比如納米復合材料、生物復合材料和智能復合材料等。最后，需要注意的是，在復合材料的成形過程中，其組份材料會發(fā)生物理變化與化學變化，使得復合材料構(gòu)件性能在很大程度上依賴其復合工藝，難以準確地對工藝參數(shù)進行適當?shù)目刂?，以至于性能具有較大的分散性。

3 先進復合材料在航空航天領(lǐng)域的應用

3.1 先進復合材料在無人機領(lǐng)域的應用

現(xiàn)代戰(zhàn)爭理念的改變，使無人機倍受青睞。無人機除在情報、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)、化學和生物武器戰(zhàn)爭中發(fā)揮有人軍機無法替代的作用。無人機的發(fā)展方向是飛行更高、更遠、更長，隱身性能更好，制造更加簡便快捷，成本更低等，其中關(guān)鍵技術(shù)之一就是大量采用復合材料，超輕超大復合材料結(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。

3.2 先進復合材料在民航客機的應用

復合材料在民機結(jié)構(gòu)上的應用近年來取得較大進展。復合材料的優(yōu)點不僅僅是質(zhì)輕，而且給設(shè)計帶來創(chuàng)新，通過合理設(shè)計，還可提供諸如抗疲勞、抗振、耐腐蝕、耐久性和吸/透波等其他傳統(tǒng)材料無法實現(xiàn)的優(yōu)異功能特性，增加未來發(fā)展的潛力和空間。尤其與鋁合金等傳統(tǒng)材料相比，復合材料可明顯減少使用維護要求，降低壽命周期成本，特別是當飛機進入老齡化階段后差別更明顯。同時，大部分復合材料飛機構(gòu)件可以整體成型，大幅度減少零件數(shù)目和緊固件數(shù)目，從而減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低連接和裝配成本，并有效降低總成本。

3.3 先進復合材料在航空器領(lǐng)域的應用

功能材料在航天領(lǐng)域的應用更為廣泛，其中最重要的是返回式航天器的表面熱防護功能材料。中國材料研究學會學者唐見茂研究指出，航天飛行器（導彈、火箭、飛船、航天飛機等）以高超聲速往返大氣層時，在氣動加熱下，其表面溫度高達4 000 ℃～8 000 ℃；固體和液體火箭發(fā)動機工作時，燃燒室產(chǎn)生的高速氣流沖刷噴管，燒蝕最苛刻的喉襯部位溫度瞬間可超過3 000 ℃。

4 結(jié)語

通過以上的研究可以發(fā)現(xiàn)，隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對材料的要求也越來越高。一個國家新材料的研制與應用水平在很大程度上體現(xiàn)了其國防和科研技術(shù)水平，因此許多國家都把新型材料的研制與應用放在科研工作的首要地位。新型航空航天器的先進性標志之一是結(jié)構(gòu)的先進性，而先進復合材料是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)先進性的重要基礎(chǔ)和先導技術(shù)。我國將成為世界上先進復合材料的最大用戶，筆者認為，我國應該針對國外技術(shù)封鎖與國內(nèi)技術(shù)儲備不足的國情，不斷地自主創(chuàng)新，努力探索原材料、設(shè)計問題，運用理論、低成本技術(shù)以及政策支持等一系列的解決方法，不斷提高航空航天器的結(jié)構(gòu)先進性，不斷加強對先進復合材料先導技術(shù)的研究與發(fā)展。

參考文獻

[1] 唐見茂.航空航天復合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].航天器環(huán)境工程，2013，30（4）：352-359.

[2] 樊建中，石力開.顆粒增強鋁基復合材料研究與應用發(fā)展[J].宇航材料工藝，2012（1）：1-7.