淺談先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

李加壯

摘要：先進(jìn)復(fù)合材料是能夠用于加工主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)，并且先進(jìn)復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度性能相當(dāng)于或著已經(jīng)超過了鋁合金的復(fù)合材料，它還具有較輕的質(zhì)量和較高的比強(qiáng)度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、隔音、隔熱、耐高（低）溫及減震等方面的特點(diǎn)，先進(jìn)復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)讓它被大量運(yùn)用到航空航天、醫(yī)學(xué)、建筑、機(jī)械等行業(yè)。了解先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展前景，對(duì)我國(guó)航空航天領(lǐng)域的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步有非常重要的作用和意義。本文將會(huì)對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用和效果進(jìn)行分析，為航空航天領(lǐng)域的工程技術(shù)人員提供參考和建議。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)復(fù)合材料；航空航天；應(yīng)用

引言

先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用是在近二十多年才開始的，使用歷史較短，但是先進(jìn)復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)、強(qiáng)度比模量高、靠疲勞性能和耐腐蝕性能好，可以大面積整體成形，這些特點(diǎn)比傳統(tǒng)的鋁合金或者鋼合金結(jié)構(gòu)顯示出更多的優(yōu)勢(shì)，也使得它在短短的時(shí)間內(nèi)就得到了廣泛的應(yīng)用，且在航空航天領(lǐng)域得到重點(diǎn)使用，推動(dòng)了航空航天事業(yè)的發(fā)展。先進(jìn)復(fù)合材料的使用和研究，已經(jīng)成為當(dāng)前航空航天領(lǐng)域先進(jìn)性和進(jìn)步性的重要標(biāo)志，是各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展和探究的核心科技，在我國(guó)亦是如此。對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的了解和技術(shù)研究，對(duì)航空航天產(chǎn)品制造和使用以及航空航天領(lǐng)域的發(fā)展有重要意義，值得進(jìn)一步分析。

一、先進(jìn)復(fù)合材料的研發(fā)及使用

先進(jìn)復(fù)合材料是指能夠用于加工主承力結(jié)構(gòu)以及次承力結(jié)構(gòu)，且剛度和強(qiáng)度性能等于或超過鋁合金的復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料具有較好的延展性、抗腐蝕性、比模量和比強(qiáng)度都比較高、隔熱、隔音以及耐高（低）溫等特點(diǎn)。航空航天行業(yè)上采用的先進(jìn)復(fù)合材料主要是樹脂基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料以及陶瓷基復(fù)合材料這幾類先進(jìn)復(fù)合材料。

（一）樹脂基復(fù)合材料

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料是指以高性能纖維為增強(qiáng)體和高性能樹脂為基體的復(fù)合材料。當(dāng)前使用較廣的是芳綸纖維復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料具有耐高溫、比強(qiáng)度高、耐疲勞、減振性好的優(yōu)點(diǎn)，在民用飛機(jī)上使用較多，在航空航天尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展比較成熟；芳綸纖維復(fù)合材料具有耐介質(zhì)性能好、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能夠成為復(fù)合裝甲材料，防護(hù)力非常強(qiáng)，有很多國(guó)家將其用在了軍用或民用飛機(jī)的“光譜屏蔽”材料中，因?yàn)樗目箾_擊性能非常突出。

（二）金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料通常是以金屬或者合金為連續(xù)顆粒，以晶須或纖維形式的第二相組成的復(fù)合材料，目前其制備和加工都比較困難，成本較高，常用在航天航空和軍事工業(yè)上。

金屬基復(fù)合材料在力學(xué)方面特點(diǎn)為橫向與剪切強(qiáng)度較高、韌性與疲勞等綜合力學(xué)性能較好，還具有導(dǎo)熱、耐磨、導(dǎo)電、熱膨脹系數(shù)小、不吸濕、阻尼性好、不老化及無污染等優(yōu)點(diǎn)。

（三）碳基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料

碳基復(fù)合材料是以碳纖維或者碳化硅等陶瓷纖維作為增強(qiáng)體、以碳為基體的復(fù)合材料。陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體并與各種纖維復(fù)合的一種復(fù)合材料。陶瓷基體可有氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)的陶瓷，它們具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、重量相對(duì)較輕及抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。例如，有的國(guó)家將其用于火箭試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)上，且已經(jīng)通過點(diǎn)火試車，效果非常好。

二、先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，先進(jìn)復(fù)合材料的使用已經(jīng)非常廣泛，盡管它還存在一些問題，但是在航空航天領(lǐng)域先進(jìn)復(fù)合材料的使用量平均以每年9%左右的速度在增長(zhǎng)。隨著航空器向著高速、高空、智能化和信息化方向發(fā)展和進(jìn)步，先進(jìn)復(fù)合材料必然在航空武器以及民用航空領(lǐng)域、航天領(lǐng)域做出重要的貢獻(xiàn)。

（一）在戰(zhàn)斗機(jī)和直升機(jī)上的應(yīng)用

在戰(zhàn)斗機(jī)及直升機(jī)上，先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用體現(xiàn)在碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，它主要用在戰(zhàn)斗機(jī)的主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)以及戰(zhàn)機(jī)特殊部位的特種功能部件上。有一些國(guó)家將碳纖維、環(huán)氧及碳纖維、雙馬復(fù)合材料用在戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身、主翼、平尾翼、垂尾翼、蒙皮等部位，能夠?qū)p重起到非常好的幫助，減重效果顯著。碳纖維復(fù)合材料在戰(zhàn)斗機(jī)和直升機(jī)上的應(yīng)用，具有抗疲勞、耐腐蝕等性能，且使得機(jī)身段比金屬結(jié)構(gòu)的機(jī)身段質(zhì)量減輕了約30%，減少零部件約60%，復(fù)合材料的垂直安定面能夠減輕將質(zhì)量減輕32%多，大大優(yōu)化了軍機(jī)重量系數(shù)和性能，提高了軍機(jī)使用效率。

（二）在民航上的應(yīng)用

隨著先進(jìn)復(fù)合材料的研發(fā)和大量使用，在很多大型的民用客機(jī)上先進(jìn)復(fù)合材料也得到了廣泛應(yīng)用，且效果顯著。例如，當(dāng)前較為先進(jìn)的A380客機(jī)就采用了約1/4的先進(jìn)復(fù)合材料，單機(jī)用量達(dá)到了29937kg。先進(jìn)復(fù)合材料在民航客機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛，其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)讓民用客機(jī)朝著先進(jìn)技術(shù)方向發(fā)展，服務(wù)性能和使用性能大大提高。

（三）宇航領(lǐng)域的應(yīng)用

宇航工業(yè)中除了燒蝕復(fù)合材料之外，對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的使用也較為廣泛，并呈上升趨勢(shì)。例如，以樹脂基復(fù)合材料為例，三叉戟導(dǎo)彈儀器的艙椎體采用了C/EP后重量減輕25%-30%左右。先進(jìn)復(fù)合材料在儀器支架和三叉戟導(dǎo)彈的陀螺支架、彈射滾柱支架、彈射筒支承環(huán)、電池支架、慣性裝置內(nèi)支架等約55個(gè)輔助的結(jié)構(gòu)件上，使得重量大大減輕，從而讓射程增加了約342km；德爾塔火箭的保護(hù)罩以及級(jí)間斷也是由C/EP材料制成的；美國(guó)的衛(wèi)星及飛行器上的天線、天線支架以及太陽能電池框架、微波濾波器都采用了C/EP制造，都有非常好的性能和使用效果。

三、結(jié)語

先進(jìn)復(fù)合材料在近二十多年的快速發(fā)展和應(yīng)用中，工藝和技術(shù)都得到了較大的突破，并且在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。先進(jìn)復(fù)合材料有非常多的優(yōu)點(diǎn)，在軍機(jī)和民用飛機(jī)以及宇航領(lǐng)域中都有非常好的使用效果，它具有的比強(qiáng)度高、比模量高、可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)、耐腐蝕性、耐高（低）溫等方面的特點(diǎn)，比傳統(tǒng)的鋼或鋁合金材料具備更綜合的優(yōu)勢(shì)性能，大大減輕機(jī)身重量，提高機(jī)體性能和效果。先進(jìn)復(fù)合材料的使用和研發(fā)已經(jīng)成為各國(guó)航空航天領(lǐng)域的一大競(jìng)爭(zhēng)關(guān)鍵，我國(guó)的先進(jìn)復(fù)合材料研發(fā)和使用較晚，應(yīng)該積極進(jìn)行重點(diǎn)研發(fā)和試驗(yàn)，提高我國(guó)航空航天水平。

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