復(fù)合材料在航天航空的應(yīng)用與發(fā)展

1、復(fù)合材料在航天航空的應(yīng)用與發(fā)展 復(fù)合材料力學(xué)1 應(yīng)用現(xiàn)狀1.1 飛機(jī)機(jī)身上的應(yīng)用1.1.1 飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料用于加工主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)，其剛度和強(qiáng)度性能相當(dāng)于或超過鋁合金的復(fù)合材料。目前被大量地應(yīng)用在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)制造上和小型無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)制造上。 以典型的第四代戰(zhàn)斗機(jī)F/A-22為例復(fù)合材料占24.2%，其中熱固性復(fù)合材料占23.8%，熱塑性復(fù)合材料占0.4%左右。熱固性復(fù)合材料的70%左右為雙馬來酰亞胺樹脂(BMI，簡(jiǎn)稱雙馬)基復(fù)合材料，生產(chǎn)200多種復(fù)雜零件，其它主要為環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，此外還有氰酸酯和熱塑性樹脂基復(fù)合材料等。主要應(yīng)用部位為機(jī)翼、中機(jī)身蒙皮和隔框、尾翼

2、等。近10年來，國內(nèi)飛機(jī)上也較多的使用了復(fù)合材料。例如北京航空制造工程研究所研制并生產(chǎn)的QY8911/HT3雙馬來酰亞胺單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料已用于飛機(jī)前機(jī)身段、垂直尾翼安定面、機(jī)翼外翼、阻力板、整流壁板等構(gòu)件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C熱塑性樹脂單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料，具有優(yōu)異的抗斷裂韌性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲勞性能，適合制造飛機(jī)主承力構(gòu)件，可在120下長期工作，已用于飛機(jī)起落架艙護(hù)板前蒙皮。F/A-221.1.2 飛機(jī)隱身上的應(yīng)用近幾十年來，隱身復(fù)合材料的研究取得了長足進(jìn)展，正朝著“薄、輕、寬(頻譜)、強(qiáng)(耐沖擊、耐高溫)”方向發(fā)展。美國最先將隱身材

3、料用在飛機(jī)上，用隱身材料最多的是F-117和F-22飛機(jī)。F-117的隱身涂層十分復(fù)雜，有7種材料之多。2000年，美空軍對(duì)F-117的隱身材料進(jìn)行更新，將原來的7種隱身材料涂層更換為1種，全部F-117將具有通用的維修程序和雷達(dá)波吸收材料，技術(shù)規(guī)程的數(shù)量減少大約50%。改進(jìn)后F-117的每飛行小時(shí)維修時(shí)間縮短一半以上，全部52架F-117的年維護(hù)費(fèi)用從1450萬美元降至690萬美元。F-22 不采用全機(jī)涂覆吸波涂層的方法，但在機(jī)身內(nèi)外的金屬件上全部采用了鐵氧體吸波涂層，它是一種有韌性的耐磨涂料，較之F-117的涂料易于噴涂且耐磨。專家預(yù)測(cè)到本世紀(jì)30代，導(dǎo)電高分子電致變色材料、摻雜氧化物半導(dǎo)

4、體材料、納米復(fù)合材料和智能隱身等復(fù)合材料將實(shí)際用于飛機(jī)，它將使飛機(jī)的航電系統(tǒng)及控制方式發(fā)生根本性的變化。1.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用1.2.1 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用由于具有密度小、比強(qiáng)度高和耐高溫等固有特性，復(fù)合材料在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的范圍越來越廣且比例越來越大，使航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)向“非金屬發(fā)動(dòng)機(jī)”或“全復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)”方向發(fā)展。(1)樹脂基復(fù)合材料憑借比強(qiáng)度高，比模量高，耐疲勞與耐腐蝕性好，阻噪能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，樹脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件(風(fēng)扇機(jī)匣、壓氣機(jī)葉片、進(jìn)氣機(jī)匣等)和發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、反推力裝置等部件上得到廣泛應(yīng)用。(2)碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料憑借密度小(有的僅為鎳基合金的1/2)

5、，比剛度和比強(qiáng)度高，耐溫性好等優(yōu)點(diǎn)，碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料在壓氣機(jī)葉片、整體葉環(huán)、盤、軸、機(jī)匣、傳動(dòng)桿等部件上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。(3)陶瓷基復(fù)合材料目前主要的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品是以SiC或C纖維增強(qiáng)的SiC和SiN基復(fù)合材料。憑借密度較小(僅為高溫合金的1/31/4)，力學(xué)性能較高，耐磨性及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，陶瓷基復(fù)合材料，尤其是纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，已經(jīng)開始應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫靜止部件(如噴嘴、火焰穩(wěn)定器)，并正在嘗試應(yīng)用于燃燒室火焰筒、渦輪轉(zhuǎn)子葉片、渦輪導(dǎo)流葉片等部件上。1.2.2 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管壁受到高速氣流的沖刷，工作條件十分惡劣，因此C/C最早用作其噴管喉

6、襯，并由二維、三向發(fā)展到四向及更多向編織。同時(shí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者多年來一直企圖將具有高抗熱震的Ct/SiC用于發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的擴(kuò)散段，但Ct的體積分?jǐn)?shù)高，易氧化而限制了其廣泛應(yīng)用，隨著CVD、CVI技術(shù)的發(fā)展，新的抗氧化Ct/SiC及C-C/SiC必將找到其用武之地。目前為解決固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)承載問題，美國和法國正在進(jìn)行陶瓷纖維混合碳纖維而編織的多向(6向)基質(zhì)、以熱穩(wěn)定氧化物為基體填充的陶瓷復(fù)合材料。SiC陶瓷制成的喉襯、內(nèi)襯已進(jìn)行多次點(diǎn)火試驗(yàn)。今天作為火箭錐體候選材料的有A12O3、ZrO2、ThO2等陶瓷，而作為火箭尾噴管和燃燒室則采用高溫結(jié)構(gòu)材料有SiC、石墨、高溫陶瓷涂層等。1.3 衛(wèi)星

7、和宇航器上的應(yīng)用衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的輕型化對(duì)衛(wèi)星功能及運(yùn)載火箭的要求至關(guān)重要，所以對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求很嚴(yán)。國際通訊衛(wèi)星VA中心推力筒用碳纖維復(fù)合材料取代鋁后減質(zhì)量23kg(約占30%)，可使有效載荷艙增加450條電話線路，僅此一項(xiàng)盈利就接近衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用。美、歐衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量不到總質(zhì)量的10%，其原因就是廣泛使用了復(fù)合材料。目前衛(wèi)星的微波通訊系統(tǒng)、能源系統(tǒng)(太陽能電池基板、框架)各種支撐結(jié)構(gòu)件等已基本上做到復(fù)合材料化。我國在“風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星”及“神舟”系列飛船上均采用了碳/環(huán)氧復(fù)合材料做主承力構(gòu)件，大大減輕了整星的質(zhì)量，降低了發(fā)射成本。2 未來展望2.1 原材料技術(shù) 復(fù)合材料發(fā)展的基礎(chǔ)和前提是原材料技

8、術(shù)，主要包括基體和增強(qiáng)體，而其中增強(qiáng)纖維技術(shù)尤為重要。高模量和高強(qiáng)度的纖維既能為基體分擔(dān)大部分外加應(yīng)力，又可阻礙裂紋的擴(kuò)展，并且當(dāng)局部纖維發(fā)生斷裂時(shí)以“拔出功”的形式消耗部分能量，起到提高斷裂能并克服脆性的效。目前關(guān)于碳纖維的研究主要是提高模量和強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本。使用的纖維先驅(qū)體仍然主要是PAN（聚丙烯腈）和瀝青纖維，二者所用物質(zhì)的量比約為6:1。一般來說PAN基碳纖維具有高強(qiáng)度，而瀝青基碳纖維具有高模量。但通過控制微觀結(jié)構(gòu)缺陷、結(jié)晶取向、雜質(zhì)和改善工藝條件，利用PAN或?yàn)r青纖維均可獲得高強(qiáng)高模纖維。事實(shí)上到目前為止，要穩(wěn)定生產(chǎn)模量大于700GPa和強(qiáng)度大于5.5GPa的高模高強(qiáng)碳纖維仍然是

9、非常困難的。碳纖維的壓縮強(qiáng)度較低，離子注入技術(shù)可改善碳纖維的壓縮強(qiáng)度，但這種工藝成本很高。2.2 低成本技術(shù)目前，復(fù)合材料的需求量快速增長，而高成本已經(jīng)成為制約復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的瓶頸。提高復(fù)合材料的性價(jià)比，除了在原材料、裝配與維護(hù)等方面進(jìn)行研究改進(jìn)外，更重要的是降低復(fù)合材料的制造成本。低成本制備技術(shù)也是低成本技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。自動(dòng)鋪帶技術(shù)和自動(dòng)纖維絲束鋪放技術(shù)具有高效、低成本的特點(diǎn)，特別適合于大尺寸和復(fù)雜構(gòu)件的制造，減少了拼裝零件的數(shù)目，節(jié)約了制造和裝配成本，充分利用了材料，極大地降低了材料的廢品率和制造工時(shí)。改進(jìn)的纖維纏繞和多維編織技術(shù)、樹脂傳遞模塑（RTM）和樹脂膜熔浸（RFI）工藝及其

10、衍生工藝、新型非熱壓罐固化工藝以及工藝模擬和智能化技術(shù)等也是新興的復(fù)合材料低成本制造技術(shù)。目前研究最多最有發(fā)展前景的是電子束固化工藝，該工藝的優(yōu)點(diǎn)是固化溫度低、耗能低、模具材質(zhì)要求不高；固化過程時(shí)間短、效率高、環(huán)境污染小，并可與RTM、拉擠、纏繞等自動(dòng)化工藝相結(jié)合。2.3 新型復(fù)合材料2.3.1 超輕材料與結(jié)構(gòu)格柵增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的概念是20世紀(jì)70年代由美國麥道公司首先提出，其基本構(gòu)想是：整個(gè)結(jié)構(gòu)由鋁合金加強(qiáng)肋與蒙皮組成，加強(qiáng)肋呈正多邊形網(wǎng)格分布，整個(gè)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出各向同性。這種結(jié)構(gòu)形式剛剛出現(xiàn)，就以較高的可設(shè)計(jì)性、優(yōu)越的潛在性能備受關(guān)注。2.3.2 納米復(fù)合材料納米復(fù)合材料是由2種或2種以上的固相至少

11、在一維以納米級(jí)大小（1-100nm）復(fù)合而成的復(fù)合材料。納米復(fù)合材料包括納米顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、納米片層增強(qiáng)復(fù)合材料、納米纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料等。納米復(fù)合材料已經(jīng)成為先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的一個(gè)新增長點(diǎn)，也是先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)研究最活躍的前沿領(lǐng)域之一。納米復(fù)合材料的超常特性使其在航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。2.3.3 多功能復(fù)合材料隨著新一代航空航天器向高超聲速方向的發(fā)展，苛刻的超高溫服役環(huán)境對(duì)材料及結(jié)構(gòu)的承載與防熱提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)，碳/碳(C/C)復(fù)合材料是適應(yīng)這種需求的重要候選材料。C/C復(fù)合材料從碳纖維增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)可分為碳?xì)諧/C和多向編織C/C復(fù)合材料。作為一種新型戰(zhàn)略材料，C/C復(fù)合材料的國防專用性和強(qiáng)烈的軍事背景使其研制和使用具有高度的機(jī)密性。碳基防熱復(fù)合材料主要用于燒蝕防熱和熱結(jié)構(gòu)，較好地解決了輕質(zhì)化、抗熱震、耐侵蝕等技術(shù)難題。除了傳統(tǒng)的C/C復(fù)合材料以外，近年來，美、俄、法等國家又開發(fā)了許多混雜其它材料的新型C/C材料以滿足不同的特殊使用要求。例如：在C/C材料中混入Si3N4、SiC、TiC、TaO、Ta