先進復合材料在航空航天領域的應用

摘 要：復合材料是在隨著科技發(fā)展所衍生出的一種新型材料，尤其是先進復合材料目前已經被廣泛應用到了航空航天領域，并發(fā)揮著至關重要的作用價值。本文簡要介紹了先進復合材料的特性，而后重點就先進復合材料在航空發(fā)動機、無人機等航空領域，以及導彈結構、運載火箭結構、衛(wèi)星和宇航器結構等航天領域中的具體應用展開了深入的探究工作。

關鍵詞：先進復合材料；航空航天；應用

伴隨著當前科技水平的不斷提高，尤其是航空航天領域的快速發(fā)展，材料的應用環(huán)境愈發(fā)惡劣，對于材料本身也提出了更為嚴苛的要求。新型材料的研發(fā)是為了更好的滿足于高新技術發(fā)展的需求，其中復合材料是目前在材料科學領域中的一個主要發(fā)展方向，同時也是新材料發(fā)展最好的一個分支，隨著復合材料的快速發(fā)展，其目前已經成為了與高分子材料金屬材料、無機非金屬材料所并列的四大材料體系之一。

一、復合材料的特性

先進復合材料有著十分明顯的優(yōu)勢特性，具體可概括為結構整體化、經濟效益最大化、可設計性以及功能多樣性，現(xiàn)具體分析如下：

（1）結構整體化。先進復合材料能夠被加工為整體部件，也就是應用先進復合材料部件來取代金屬部件。在一些較為特殊的輪廓及表層比較復雜的部件當中，利用金屬制造往往可行性相對較差，而應用先進復合材料往往便可有效滿足于實際的工作需求。

（2）經濟效益最大化。將先進復合材料應用于航空航天領域內，可實現(xiàn)對產品數(shù)量的大幅度精減。因對復雜部件的連接往往無需采取焊接、鉚接等方式，因而對于連接部件的需求量也便可以大大減少，進而使得材料的裝配成本與時間也能夠有效降低，從而實現(xiàn)經濟效益的最大化。

（3）可設計性。應用纖維、樹脂、復合結構等方式可得到多種性能、形狀存在明顯差異化的復合材料，選取出適當?shù)牟牧霞颁亴哟涡虮憧杉庸こ鰶]有膨脹系數(shù)的復合材料，同時其尺寸穩(wěn)定性也要明顯優(yōu)于一般的金屬材料。

（4）功能多樣性。隨著先進復合材料材料的不斷發(fā)展，其不斷融合了許多優(yōu)異的物理性能、化學性能、生物性能、力學性能等。如先進復合材料所具備的阻燃性能、吸波性能、防熱性能、屏蔽性能、半導性能及超導性能，而且各類先進復合材料其本身的構成也不盡相同，在功能方面也會產生出一定的差異性，目前綜合性及多功能性現(xiàn)已成為先進復合材料發(fā)展的一項主流趨勢。

二、先進復合材料在航空航天領域中的應用

（一）航空領域

1.航空發(fā)動機中的應用

在航空發(fā)動機的結構設計中，高性能系統(tǒng)對于材料本身在輕型化與耐高溫方面有著更加嚴苛的要求。新型材料與工藝技術的快速發(fā)展是為了服務于新一代航空發(fā)動機的發(fā)展要求，特別是先進復合材料的應用在航空發(fā)動機中已經得到了大規(guī)模的應用，如將陶瓷基復合材料應用與發(fā)動機的空氣流動通道中，便可促使發(fā)動機的高溫區(qū)域僅需少部分甚至無需冷卻氣體，從而也便可促使渦輪扇發(fā)動機的重量大大降低，發(fā)動機的運轉效率也將達到更大水平，相應的發(fā)動機性能、耐久能力、燃油經濟性等也便能夠得到大幅度的提升。

2.無人機中的應用

在未來的航空領域發(fā)展過程中，無人機將是至關重要的一個發(fā)展方向，無人機的主流發(fā)展趨勢便是飛行高度更高、時間更長、隱身效果更好，要想提高無人機制造效率、較小制造成本，復合材料的應用便是其中至關重要的一項技術手段。例如在無人機的尾翼部位采用石墨/環(huán)氧復合材料，相較于傳統(tǒng)的鋁合金混合結構其重量可減小60%以上。此外，設計人員應用復合材料還能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)金屬材料所難以企及的空氣動力學設計，如超聲速飛行的前掠翼飛機。

（二）航天領域

1.導彈結構材料

應用碳纖維/環(huán)氧復合材料所制成的導彈結構相較于鋁結構其重量將降低40%以上。目前在導彈發(fā)射筒的制造上許多發(fā)達國家也開始采用先進的復合材料，如美國的“MX”導彈，俄羅斯的“白楊M”導彈等。由于采用先進復合材料所制造出的導彈發(fā)射筒通過大幅度降低自身重量后能夠顯著提升導彈的靈活性。目前我國在這一方面也開展了相關的研究工作，并研發(fā)出了應用先進復合材料所制造的儀器艙，能夠顯著提升戰(zhàn)略導彈的靈活性與機動性，有著十分優(yōu)異的應用效果。

2.運載火箭結構材料

一些發(fā)達國家早在上世紀50年代便開始采用纖維纏繞成型的玻璃鋼殼體來取代以往所采用的鋼殼。應用這一材料能夠減輕超過50%以上的結構自重，在這一基礎上，美國緊接著又研發(fā)了“MX”三級發(fā)動機殼體，其采用了芳綸/環(huán)氧復合材料，此種結構形式的殼體重量相較于纖維纏繞成型的玻璃鋼殼體其重量又可進一步降低50%左右。在先進復合材料的快速發(fā)展過程中，將之應用于運載火箭發(fā)動機殼體當中的優(yōu)勢價值愈發(fā)突出。當前我國在運載火箭發(fā)動機殼體制造方面也開始逐漸采用先進復合材料，現(xiàn)已能夠將芳綸/環(huán)氧材料以及玻璃纖維/環(huán)氧復合材料成功應用于運載火箭的發(fā)動機殼體之內。在運載火箭結構設計方面充分應用以先進復合材料，可實現(xiàn)對運載火箭發(fā)動機重量的大幅度減小，促進其發(fā)動機性能的顯著提升。

3.衛(wèi)星和宇航器結構材料

衛(wèi)星結構質量將會直接影響到衛(wèi)星本身的功能特性，針對衛(wèi)星結構采取輕型化設計現(xiàn)已成為衛(wèi)星結構發(fā)展的一個主流趨勢。對通訊衛(wèi)星的推力桶應用先進復合材料制造，其重量相較于傳統(tǒng)的鋁結構可減小30%左右，所減小的終了可新增450條以上的電話線，并且還能夠大幅度降低衛(wèi)星發(fā)射費用，有著極高的經濟性價值。

三、結語

總而言之，在歷經了幾十年的發(fā)展后當前我國的先進復合材料工業(yè)已形成了一個相對較為完備的體系，而且部分復合材料也已被廣泛的應用到了航空航天器的生產當中，并取得了十分優(yōu)異的應用效果。然而，就從目前的整體現(xiàn)狀來看我國在先進復合材料方面技術水平與發(fā)達國家仍存在著不小的差距。因此，我國還應在此方面不斷加大研究力度，積極借鑒、汲取國外的先進經驗與技術，以促進我國航空航天器性能的全面提升。

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作者簡介：周慶慶（1987），四川雙流人，碩士，助教，研究方向：材料成型及控制工程。