先進復合材料的研究與應(yīng)用

先進復合材料的研究與應(yīng)用

20世紀70年代末，先后開發(fā)了碳纖維、碳硅纖維、氧化鋅纖維、硼纖維、纖維芳倫纖維、高密度聚苯乙烯纖維等高性能增強材料，并以高性能樹脂、金屬和陶瓷為基礎(chǔ)。先進材料。這種先進復合材料具有比玻璃纖維復合材料更好的性能,是用于飛機、火箭、衛(wèi)星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。ACM的發(fā)展方向可以用“7化”來概括,即碳纖維低成本規(guī)?；?玻璃纖維高性化;高性能纖維雜混改性化;ACM應(yīng)用領(lǐng)域擴展化;高性能樹脂雜混改性化;結(jié)構(gòu)設(shè)計實用化和制造裝備現(xiàn)代化。碳纖維在各工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用量及其份額是工業(yè)技術(shù)水平和先進技術(shù)民用化的標志之一,美國、日本、中國和世界整體碳纖維應(yīng)用份額見表1。未來5年中國碳纖維在各應(yīng)用領(lǐng)域的用量、份額及其增長率變化見表2、表3。ACM的典型代表是環(huán)氧樹脂基碳纖維復合材料,經(jīng)過多年使用驗證,環(huán)氧樹脂基體以其綜合性能優(yōu)異、工藝性良好、價格低等諸多優(yōu)點,在馬赫數(shù)1.5以下飛機上的用量遠遠大于雙馬來酰胺樹脂基體(BMI),以A400M、波音787飛機為例,復合材料分別占飛機結(jié)構(gòu)重量的36%和50%,其中,復合材料結(jié)構(gòu)居主導地位的一直是剛性雙酚A二縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂。如美國“三叉戟-1”、“三叉戟-2”導彈以及“飛馬座”火箭采用的HBRF-55A配方就以E-PON826為主。多年來各國都在通過加入柔性單元改進環(huán)氧樹脂的韌性,通過加入新型剛性鏈單元結(jié)構(gòu)或使用芴型芳香胺固化劑來提高耐熱性,并分別取得了預(yù)期的效果。1國內(nèi)外先進復合材料的研究與應(yīng)用情況先進復合材料的研究應(yīng)用主要集中于國防工業(yè)。高性能樹脂基復合材料,主要是碳纖維和芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂,多官能團環(huán)氧樹脂和BMI。復合材料性能穩(wěn)定,已大量投入應(yīng)用,相當于T300/聚酰亞胺PMR-15性能的復合材料已研制成功,一批高性能的熱塑性樹脂基復合材料,如PEEK、PECK、PPS等正在從實驗室走向?qū)嵱谩?jù)介紹,先進復合材料構(gòu)件正在由次承力件向主承力件過渡。在成型工藝方面,先進復合材料借助玻璃鋼成型技術(shù)逐步實現(xiàn)由手糊到機械化自動化的轉(zhuǎn)變。但總的水平與國外先進技術(shù)還有一定距離。高性能聚合物基復合材料在航空航天工業(yè)的用量占其全部用量的80%。國內(nèi)外先進復合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用情況見表4。鑒于4,4’-二氨基二苯甲烷四縮水甘油胺(TGDDM)的性價比,該材料可能是最實用的高性能環(huán)氧樹脂。TGDDM具有優(yōu)良的耐熱性,長時高溫性能和機械強度保持率,固化收縮低,化學和輻射穩(wěn)定性好,還可用于高性能結(jié)構(gòu)膠粘劑,結(jié)構(gòu)層壓板和耐高能輻射材料。1.1復合材料機翼1986年設(shè)計的C-17是上世紀先進大型軍用運輸機的典型代表,限于當時的水平,復合材料主要用于次要結(jié)構(gòu),如雷達罩、整流罩、操縱面、口蓋、翼梢小翼蒙皮等。復合材料重約7258k,占該機結(jié)構(gòu)重量8.1%。樹脂基復合材料從非承力結(jié)構(gòu)發(fā)展到次承力構(gòu)件。在復合材料中碳纖維增強復合材料約占結(jié)構(gòu)重量6%,玻璃纖維塑料、Kevlar纖維增強材料占2%。歐洲EADS正在研究的A400M屬于新一代大型軍用運輸機,在材料應(yīng)用技術(shù)上有了一個新的飛躍,主要表現(xiàn)為先進復合材料占結(jié)構(gòu)重量的35%~40%。與C-17不同的是,在A400M上,碳纖維復合材料用于一些主承力結(jié)構(gòu),而C-17的復合材料結(jié)構(gòu)重量比僅為8%,且主要用于操縱面及次要結(jié)構(gòu)。A400M的機身仍由傳統(tǒng)的鋁合金制成,但卻開創(chuàng)了采用碳纖維復合材料制造大型運輸機機翼的先河,機翼長達19m,令業(yè)界頗為矚目。在A400M運輸機上,特別值得提出的是復合材料機翼,碳纖維復合材料占機翼結(jié)構(gòu)重量比例高達85%,開創(chuàng)了使用復合材料為主要材料制造大型運輸機機翼的先例。采用碳纖維制造的機翼,重量是同等強度鋁合金機翼的75%至80%,并且不會產(chǎn)生金屬疲勞,先進復合材料的廣泛應(yīng)用對于減輕結(jié)構(gòu)重量相當有利。在A400M的復合材料設(shè)計和制造中,廣泛采用了計算機輔助設(shè)計軟件,如土耳其航空航天工業(yè)公司就使用美國維斯特吉公司的FiberSlM軟件來進行設(shè)計。土耳其航空航天工業(yè)公司作為空客A400M項目的簽約合作方,在CATIAV5CAD模擬環(huán)境中利用該軟件為A400M運輸機設(shè)計了副翼及擾流片等氣動控制面。A400M的機翼除前緣、前后緣支承結(jié)構(gòu)及鉸鏈采用鋁合金外,其氣動舵面、機翼蒙皮、桁條以及中央翼盒與外翼盒接頭的某些部件也均為復合材料。但為了確保強度安全,A400M機翼與機身的接頭采用鈦合金制造并用螺栓以雙鉤環(huán)固定,以保證在斷裂時有雙余度保險。該機翼蒙皮與加強筋組成一體固定在碳纖維復合材料翼梁上,翼肋仍采用鋁合金制造。因其主要受壓應(yīng)力,此時用復合材料與用鋁合金并無大的不同。除機翼外,A400M的尾部貨艙門、起落架艙門、整流罩以及螺旋槳也采用高強度復合材料來制造。目前,空客公司正在進行一項更為“大膽”的重要計劃—研制全碳纖維復合材料機翼,并已制造出6.2m的翼盒驗證件。A400M的T型尾翼設(shè)計為加強結(jié)構(gòu),并大量采用復合材料,碳纖維復合材料占結(jié)構(gòu)重量比例高達97%~98%。垂尾主要由1個三粱主盒段、1個可拆卸的前緣、后緣隔板和一塊方向舵組成,垂直尾翼的根部與后機身上一個機械加工的平直翼面連接。除了垂尾前緣和鉸鏈,所有這些結(jié)構(gòu)部件主要由復合材料制造。垂尾前緣是金屬/復合材料的復合型部件,可改善抗沖擊和防腐蝕性能,在垂尾翼尖裝有預(yù)警保障措施短艙。方向舵是帶鋁合金鉸鏈連接肋的碳纖維加強型結(jié)構(gòu),由兩臺液壓伺服作動筒和一臺電動馬達驅(qū)動。A400M的垂尾面積較大,有著非常不錯的航向穩(wěn)定性。水平尾翼為鋁合金中央結(jié)構(gòu)翼盒和兩個復合材料的外側(cè)盒段結(jié)構(gòu),中央盒段為水平尾翼與垂直安定面的連接提供安裝固定結(jié)構(gòu)。水平尾翼兩側(cè)各有一塊升降舵,其主結(jié)構(gòu)也采用了碳纖維復合材料。A400M運輸機所用環(huán)氧基體碳纖維復合材其主要用于翼梁、縱梁、機翼箱型梁、升降舵蒙皮、氣動舵面、機翼蒙皮、桁條以及中央翼盒與外翼盒接頭的某些部件。1.2復合材料的使用為滿足新一代戰(zhàn)斗機對高機動性、超音速巡航及隱身的要求,進入90年代后,西方的戰(zhàn)斗機無一例外的大量采用復合材料結(jié)構(gòu),用量一般都在25%以上,有的甚至達到35%,結(jié)構(gòu)減重效率達30%。應(yīng)用部位幾乎遍布飛機的機體,包括垂直尾翼、水平尾翼、機身蒙皮以及機翼的壁板和蒙皮等。如美國第4代戰(zhàn)斗機F-22復合材料用量已達到24%,而EF2000更高達43%,EF2000除鴨翼外,機身、機翼、腹鰭、方向舵都采用復合材料,結(jié)構(gòu)“濕潤”表面的70%為復合材料。陣風也是如此,70%的“濕潤”表面為復合材料,約947kg之重。F-35的復合材料幾乎覆蓋了整個飛機外表面。1.3復合材料+傳統(tǒng)知識國外目前研制的無人機以復合材料和傳統(tǒng)鋁合金的混合結(jié)構(gòu)為主。如“捕食者”“全球鷹”等均是如此。其中“全球鷹”的機翼和尾翼由石墨/環(huán)氧復合材料制造,而機身仍采用傳統(tǒng)鋁合金,復合材料占結(jié)構(gòu)重量的65%。無人戰(zhàn)斗機是未來航空武器的一個重點發(fā)展方向。為滿足采購政策、隱身性能、機動性、生存力對材料的特殊需求,為盡可能地降低結(jié)構(gòu)重量、提高燃油裝載量,無人戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)的一個顯著特點就是大量應(yīng)用復合材料。以波音公司的X-45A為例,除機身的龍骨、梁和隔框采用高速切削鋁合金外,其余的機體結(jié)構(gòu)都是由復合材料制成。諾斯羅普·格魯門公司的X-47A的機體除一些接頭采用鋁合金外,整個機體幾乎全部采用了復合材料。1.4升力系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)直升機采用復合材料不僅可減重,且對于改善直升機抗墜毀性能意義重大,因而復合材料在直升機結(jié)構(gòu)中應(yīng)用更廣、用量更大,不僅機身結(jié)構(gòu),而且由槳葉和槳轂組成的升力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)也大量采用樹脂基復合材料。H360、S-75、BK-117和V-22等直升機均大量采用了復合材料,如頃轉(zhuǎn)旋翼飛機V-22用復合材料近3000kg,占結(jié)構(gòu)總重的45%左右,法德合作研制的“虎”式武裝直升機,復合材料用量更高達77%。1.5飛機防熱劑組成以NASA開發(fā)的第2代可重復使用航天飛機為例,油箱內(nèi)襯為復合材料。在推進系統(tǒng)中將采用陶瓷基復合材料發(fā)射斜軌、金屬基復合材料機匣以及樹脂基復合材料涵道。此外還將采用復合材料電子設(shè)備艙。第3代可重復使用航天飛機將為一智能結(jié)構(gòu),具有自適應(yīng)熱防護系統(tǒng)及智能化無損檢測裝置,自愈合的飛機結(jié)構(gòu)及表面。發(fā)動機材料將可能使用經(jīng)冷卻的復合材料、金屬基復合材料加力燃燒室殼體、超高溫復合材料。結(jié)構(gòu)材料將包括超高溫樹脂基復合材料、低成本耐腐蝕熱防護系統(tǒng)復合材料液氧油箱。美國高超聲速飛行器X-43是由超燃沖壓發(fā)動機作動力裝置的驗證機。其油箱/機身由石墨/環(huán)氧框架及蒙皮組成。蒙皮外再覆以熱防護系統(tǒng)。飛機上翼面熱防護層為可剪裁的先進絕緣氈,下翼面為內(nèi)多層屏蔽絕緣物。后者是正處于開發(fā)中的防熱材料,由C/SiC外面板,中介陶瓷屏以及先進聚酰亞胺泡沫內(nèi)襯。中介陶瓷屏覆以貴金屬以降低其熱輻射。機翼及垂尾由鈦基復合材料制成,并有1個由二硼化鋯制成的前緣。1.6樹脂基復合材料材料在火箭和導彈上使用碳復合材料減重效果十分顯著。因此,采用碳纖維復合材料將大大減輕火箭和導彈的惰性重量,既減輕發(fā)射重量又可節(jié)省發(fā)射費用或攜帶更重的彈頭或增加有效射程和落點精度。利用纖維纏繞工藝制造的環(huán)氧基固體發(fā)動機罩耐腐蝕、耐高溫、耐輻射、且密度小、剛性好、強度高、尺寸穩(wěn)定。再如導彈彈頭采用了環(huán)氧基及環(huán)氧酚醛基纖維增強材料。在樹脂基復合材料中,環(huán)氧樹脂(EP)是巡航導彈彈體結(jié)構(gòu)所用復合材料中最主要的基體材料,在所有樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)中所占的比例高達90%。但隨著飛行速度的提高,超聲速巡航導彈研究的日益深入,目前樹脂基復合材料的研究重點已由環(huán)氧樹脂向BMI、聚酰亞胺(PI)樹脂、氰酸酯樹脂轉(zhuǎn)移。Bryte公司最近開發(fā)了一系列氰酸酯樹脂基體,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達335℃,短時工作溫度達300℃,可以代替BMI和聚酰亞胺,氰酸酯樹脂已成為未來結(jié)構(gòu)/功能一體化的有力候選材料,可以作為超聲速巡航導彈復合材料舵面和彈體通常選用的樹脂。耐高溫樹脂基復合材料是超聲速巡航導彈彈體結(jié)構(gòu)的主選材料,以BMI、PI樹脂為主。目前國內(nèi)的PI樹脂存在著性能不穩(wěn)定、工藝操作性差等諸多問題,難以成型大尺寸、復雜型面的復合材料結(jié)構(gòu),不宜作為超聲速巡航導彈主體結(jié)構(gòu)樹脂。從美國雷錫恩導彈系統(tǒng)公司的經(jīng)驗來看,在近10年期間將把高溫樹脂基復合材料基體的研究集中于BMI,取代以往研究的PI,充分利用BMI的可加工性、低成本、易操作性。BMI樹脂的耐溫性能能達到300℃左右,完全可以滿足低馬赫數(shù)(≤2Ma)超聲速巡航導彈彈體結(jié)構(gòu)的需求。耐高溫有機樹脂基透波復合材料體系中,美國研制開發(fā)的PI樹脂和聚苯并咪唑(PBI)樹脂及俄羅斯研制的改性酚醛樹脂都具有良好的透波性能和工藝性能,已在寬頻天線罩(HARM、ALARM、KP-1)上獲得應(yīng)用,使用溫度達到600℃。1.7天線、支架和支撐結(jié)構(gòu)宇航工業(yè)中除燒蝕復合材料外,高性能復合材料應(yīng)用也很廣泛。如三叉戟導彈儀器艙錐體采用C/EP后減重25%~30%,省工50%左右。還用作儀器支架及三叉戟導彈上的陀螺支架、彈射筒支承環(huán),彈射滾柱支架、慣性裝置內(nèi)支架和電池支架等55個輔助結(jié)構(gòu)件。由于減重,使射程增加342km。德爾塔火箭的保護罩和級間段亦由C/EP制造。美國衛(wèi)星和飛行器上的天線、天線支架、太陽能電池框架和微波濾波器等均采用C/EP定型生產(chǎn)。國際通訊衛(wèi)星V上采用C/EP制作天線支撐結(jié)構(gòu)和大型空間結(jié)構(gòu)。宇航器“空中旅行者”的高增益天線次反射器和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)外蒙皮采用了K-49/EP。航天飛機用Nomex蜂窩C/EP復合材料制成大艙門,C/EP尾艙結(jié)構(gòu)壁板等。人造衛(wèi)星使用碳復合材料制造衛(wèi)星整流罩、展開式太陽能電池板,而宇宙飛船使用碳復合材料制造防熱材料、太陽能電池陣基板和航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等。1.8結(jié)構(gòu)材料—航空發(fā)動機航空發(fā)動機使用碳纖維增強樹脂基復合材料取代金屬材料可以有效減輕發(fā)動機重量,降低燃料消耗,增加航程。有資料報道,發(fā)動機減輕1磅(0.454kg)重量,飛機則可減輕10~20磅重量。從70年代初,復合材料就成為TF39、F103特別是GE36UDF發(fā)動機研制計劃的一部分,在這些發(fā)動機上積累了經(jīng)驗之后,在GE90的風扇葉片上成功使用了高性能韌化環(huán)氧復合材料。此外,在F119風扇機匣、遄達發(fā)動機的風扇機匣包容環(huán)及反推力裝置上也廣泛采用了樹脂基復合材料。近期開發(fā)的波音787的動力裝置GEnx的風扇機匣及風扇葉片,將由碳纖維/環(huán)氧樹脂基復合材料制成。除減重外,復合材料還表現(xiàn)出良好的韌性及耐蝕性。至于陶瓷基復合材料等超高溫復合材料,目前已在M88、F119等發(fā)動機尾噴管等靜止件上獲得應(yīng)用。隨著飛行器向高空、高速、無人化、智能化、低成本化方向發(fā)展,復合材料的地位會越來越重要。國外預(yù)計,在下一代飛機上,復合材料將扮演主角,目前采用全復合材料飛行器的計劃正處于醞釀之中。1.9材料材料的使用民用航空材料方面由于采用環(huán)氧基碳纖維增強材料,帶來非常明顯的性價比,歐洲空中客車公司提出更多地用輕質(zhì)高強材料使機身減重30%,整個飛行成本可降低40%?？湛偷膬浼夹g(shù)還說明,機身達到減重15%,成本可下降15%的目標?？湛驮谑褂脧秃喜牧戏矫嬉恢弊咴跇I(yè)界前頭,A380飛機約25%由復合材料制造,其中22%為環(huán)氧基體碳纖維復合材料,工程塑料基碳纖維增強塑料比重>1%。A380在后壓力艙后部的后機身首次采用了復合材料和先進金屬材料,使用這些復合材料減輕了機身重量,大大減少了油耗和排放,并降低了運營成本。再如波音B777飛機上采用碳纖維增強工程塑料量達9.9t,占結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的11%。而波音B787飛機上采用環(huán)氧樹脂基、雙馬來酰亞胺基體碳纖維復合材料和熱塑性工程塑料,其用量達機重的50%。環(huán)氧樹脂基、雙馬來酰亞胺基碳纖維復合材料主要用來制造機翼、機身、地楞橫梁等部位的結(jié)構(gòu)材料,內(nèi)部裝飾上也大面積使用了熱塑性工程塑料。2中國航空航天部的先進材料2.1tgddm環(huán)氧體系我國高性能復合材料應(yīng)用于航空業(yè)已有20多年歷史,目前軍用殲擊機用量達25%,直升機最高用量可達50%,民用客機也達到10%~20%,主要用于起落架艙門、內(nèi)外側(cè)副翼、方向舵、升降舵、擾流板等。國內(nèi)許多學者從事TGDDM環(huán)氧體系的研究與開發(fā)工作,并取得了較大成績。特別值得指出的是,我國科技工作者經(jīng)多年研究,開發(fā)了商品名為TDE-85的三官能團環(huán)氧樹脂,其化學名為4,5-環(huán)氧己烷-1,2-二甲酸二縮水甘油酯,其分子中含有2個反應(yīng)活性高的縮水甘油酯基和一個反應(yīng)活性與前者差別很大的脂環(huán)環(huán)氧基。該樹脂是一種工藝性、耐熱性均很優(yōu)異的高性能環(huán)氧樹脂。西北工業(yè)大學、哈爾濱玻璃鋼研究所等單位用TDE-85環(huán)氧樹脂為基體材料制作的復合材料,應(yīng)用在某些有特殊需要的產(chǎn)品上已獲得令人滿意的結(jié)果。2.2材料及性能要求THC-400,THC-800系列,TH-30系列,THH系列,THF等是陜西太航阻火聚合物有限公司開發(fā)的專用于復合材料的耐燒蝕耐高溫潔凈阻燃韌性環(huán)氧樹脂基體的特種樹脂溶液,有一系列不同的分子量和獨特的分子量分布。黏度低,易于浸潤碳纖維,有特別優(yōu)異的粘接性。同時對芳倫纖維,高硅氧纖維等玻璃纖維同樣有優(yōu)良的粘接性能,其復合材料耐溫可達350℃左右,甚至更高。同時不燃,無煙,有優(yōu)異的燒蝕性能和透波性能。碳纖維復合材料火箭發(fā)動機殼體用耐燒蝕耐高溫潔凈阻燃韌性環(huán)氧樹脂基體及其預(yù)浸料可存放3~6個月。預(yù)浸料適用于模壓、層壓、熱壓罐多種工藝,也可纏繞,已成功用于航天產(chǎn)品的碳/碳材料的制造,火箭發(fā)動機的噴管、擴散段、天線罩、飛機部件的制造。汽車工業(yè)的新型碳纖維離合器,其使用壽命可達30萬次,比發(fā)達國家高一倍,其模壓復合材料力學性能見表5。所制造的碳纖維剎車片各種指標達到或超過德國標準。其玻璃纖維模壓復合材料在不同頻率下的介電性能和不同溫度的機械性能見表6。近年來,針對環(huán)氧樹脂基體韌性不足、耐濕熱性較差的問題,國內(nèi)相關(guān)單位開展了多方面的改性研究,使復合材料沖擊后的壓縮強度達到了250MPa以上,復合材料飽和吸濕后120℃下的綜合性能的保持率均與國外同類樹脂體系相當。其多墻式復合材料層壓板共固化、共膠接結(jié)構(gòu),全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)已在馬赫數(shù)1.5以下的飛機上得到了工程化應(yīng)用,并且有的復合材料結(jié)構(gòu)經(jīng)過了近20年的使用考核,質(zhì)量情況仍然良好。疲勞試驗的結(jié)果表明,在給定的設(shè)計載荷下,復合材料結(jié)構(gòu)件30年的飛行壽命是可靠的。使用經(jīng)驗表明,這類復合材料是一種性能優(yōu)異的材料,它已逐漸開始走向成熟。環(huán)氧樹脂體系對碳纖維品種適應(yīng)性研究在國內(nèi)也取得了成果,特別是國產(chǎn)碳纖維增強的環(huán)氧樹脂基復合材料已通過了一系列性能考核。以NY9200環(huán)氧樹脂體系為例,與纖維界面有關(guān)的復合材料0°壓縮和面內(nèi)剪切性能與國外同類纖維增強的環(huán)氧樹脂基復合材料相當,界面破壞形貌基本相似,并開始進入飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。2.3樹脂基復合材料在“九五”國家科技攻關(guān)項目“碳纖維復合材料火箭發(fā)動機殼體用高性能樹脂基體的研究”項目支持下,針對“KN-1”型固體航天器和武器型號發(fā)展急需,針對碳纖維先進復合材料應(yīng)用很廣的芳香胺類固化的環(huán)氧樹脂體系,設(shè)計合成了一種中間含有“柔性可旋轉(zhuǎn)”鏈段的低黏度的二官能環(huán)氧基化合物,通過配方設(shè)計篩選,結(jié)合熱、力學性能測試,開發(fā)了一種集韌性、耐熱性及工藝都很好的環(huán)氧樹脂基體。韌性環(huán)氧樹脂基體配方在室溫下黏度低,貯存適用期長,澆鑄體熱變形溫度較高,斷裂延伸率高達5.3%,其濕法纏繞成型的T-700碳復合材料具有界面粘接好,纖維強度轉(zhuǎn)化率高達89.4%。<150mm壓力容器水壓爆破試驗結(jié)果表明,該樹脂基體工藝性能優(yōu)良,壓力容器特性系數(shù)pvw值高達40.1km。該種纖維復合材料發(fā)動機殼體(壓力容器)主要性能指標達到了以美國國家宇航局NASA為代表的國際先進水平。可以用該改性樹脂基體制造高性能碳復合材料發(fā)動機殼體。98-28A-01-17鑒定專家一致認為該改性樹脂基體的研制成功,為我國航天航空用先進復合材料的發(fā)展起到了開拓性的作用。2.4和載荷機翼中國第4代飛機J-14開始全比例模型風洞實驗,見圖1。中國第4代重型殲擊機殲14“鷹隼”是一種全新的高性能、多用途、全天候的空中優(yōu)勢的戰(zhàn)斗機。中國第5代飛機J-15、J-20和艦載戰(zhàn)斗機正在研制,見圖2和圖3。殲14“鷹隼”是單座雙發(fā)、雙V、總體布局形垂尾翼、菱形進氣道的縱向一體化三翼面的氣動布局。主要技術(shù)采用前掠式機翼,翼身融合的隱身設(shè)計,武器裝載在機身的武器艙和推力矢量控制技術(shù)。機體的36%由碳纖維復合材料制成,鈦64約占24%,鈦62222占3%,鋼占16%,鋁合金占16%,熱塑性復合材料大于1%,其他材料(包括涂漆、座藏蓋、機頭雷達整流罩、輪胎、剎車片、密封材料、黏合劑、氣體、潤滑油和冷卻劑等)占15%。傳統(tǒng)的鋼和鋁合金占的比重很小,而大量使用了鈦合金和復合材料。2.5結(jié)構(gòu)復合材料的發(fā)展材料與工藝是導彈研制、生產(chǎn)的基礎(chǔ),對提高導彈武器的性能、降低其成本起著重要作用,當前的研究重點是高性能合金、復合材料、隱身材料及特殊結(jié)構(gòu)和功能材料。其中,復合材料及其制造工藝特別重要。用高性能纖維及其編織物、采用增強基體,可以批量生產(chǎn)強度大、比重小的高級復合材料,而且應(yīng)用部位已由次承力部件發(fā)展到主承力部件。戰(zhàn)略導彈的固體發(fā)動機、儀器艙、彈頭防熱與突防結(jié)構(gòu)、機動發(fā)射筒、各類戰(zhàn)術(shù)導彈的防熱結(jié)構(gòu)等,都是典型的復合材料構(gòu)件。國內(nèi)的巡航導彈結(jié)構(gòu)復合材料發(fā)展水平與國外差距較大,但針對巡航導彈彈體結(jié)構(gòu)特點近期發(fā)展了一系列樹脂基復合材料新技術(shù)、新結(jié)構(gòu),牽引出以下3種樹脂基結(jié)構(gòu)復合材料新技術(shù)的發(fā)展:低成本整體成型復合材料、耐高溫多結(jié)構(gòu)特性復合材料、耐高溫透波/結(jié)構(gòu)復合材料。以上3種復合材料結(jié)構(gòu)及技術(shù)具備顯著的不同于航空結(jié)構(gòu)的特點,集中了巡航導彈彈體結(jié)構(gòu)的主要典型特征。(1)先進的成型技術(shù)在新一代亞聲速巡航導彈的研究中,大膽采用了多種以整體成型為核心的先進復合材料成型技術(shù),包括RTM共固化技術(shù)、RTM整體成型技術(shù)、整體模壓技術(shù)等。巡航導彈復合材料艙段、復合材料整體彈翼、復合材料進氣道油箱艙體一體化結(jié)構(gòu)3種典型復合材料結(jié)構(gòu)已成為主要發(fā)展方向。(2)結(jié)論雙馬-酚醛一體化復合材料從該技術(shù)本身而言,國內(nèi)無論是傳統(tǒng)的熱壓罐、模壓技術(shù),還是新開展的RTM技術(shù),相應(yīng)的BMI樹脂和成型工藝均很成熟,具備了工程應(yīng)用的條件。在高馬赫數(shù)飛行的巡航導彈彈體結(jié)構(gòu)上,雙馬樹脂基復合材料可以通過與外層熱防護層相結(jié)合的方式組成耐高溫多結(jié)構(gòu)特性復合材料。其中的典型代表是雙馬-酚醛一體化復合材料,它在未來彈道-巡航組合式導彈結(jié)構(gòu)上將發(fā)揮獨特的作用。這種彈道-巡航組合式導彈的飛行狀態(tài)包含了“再入”和“巡航”,打破了傳統(tǒng)意義上戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)導彈的界限,要求彈體結(jié)構(gòu)材料需要同時具備承載和耐熱雙重作用,雙馬-酚醛一體化復合材料中內(nèi)層的雙馬復合材料作為結(jié)構(gòu)部分,外層的酚醛復合材料作為燒蝕型熱防護材料,整個結(jié)構(gòu)一次RTM成型、共固化,避免了二者界面結(jié)合問題,是一種耐高溫多結(jié)構(gòu)特性復合材料,能充分實現(xiàn)結(jié)構(gòu)耐熱與承載的高效統(tǒng)一。是未來巡航導彈彈體結(jié)構(gòu)的一個很有前景的研究方向。(3)新一代競爭點天線罩兼具透波和結(jié)構(gòu)的雙重功效,是重要的巡航導彈彈體結(jié)構(gòu)部分。亞聲速巡航導彈的天線罩已發(fā)展較為成熟,以環(huán)氧樹脂為主。新的技術(shù)競爭點集中在以超聲速巡航導彈為代表的高性能耐熱、寬頻透波天線罩。中國的巡航導彈采用環(huán)氧樹脂、雙馬-酚醛一體化基體碳纖維復合材料制作巡航導彈的彈頭、巡航導彈復合材料彈翼、艙段、進氣道油箱艙體一體化結(jié)構(gòu)、天線罩、頭艙、前設(shè)備艙、后設(shè)備艙、尾艙等。3ny98環(huán)氧樹脂基復合材料在飛機上的使用在近400飛機上的應(yīng)用在一般有機碳中國研發(fā)的碳纖維織物增強5224環(huán)氧樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)在直升機上得到了大量的使用,單向碳纖維增強的NY9200環(huán)氧樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)在近400架飛機上應(yīng)用,另外,在飛機結(jié)構(gòu)上開始采用的BA9916和5228環(huán)氧樹脂基體系,這些應(yīng)用所沉淀的工程經(jīng)驗均可以為國內(nèi)大型飛機復合材料結(jié)構(gòu)選材提供有益的參考和借鑒。3.1cd大客機產(chǎn)品特點C919和空客A320、波音737外形相似,與C919競爭的機型是占據(jù)中國航空市場半壁江山的波音737和空客A320,然而,如果要論承載旅客的數(shù)量和載重的真正之“大”,波音787飛機和空客A350才是與C919持續(xù)競爭的兩款雙通道飛機機型。而由中航承擔中國民用航空大飛機80t級的C919飛機零部件也在加緊生產(chǎn)中,將如期交付中國商飛集團。C919與空客A320、波音737最大的區(qū)別在機頭,傳統(tǒng)的機頭是由正面兩塊以及側(cè)面4塊擋風玻璃組成,而C919少了側(cè)面兩塊擋風玻璃,國產(chǎn)大飛機的機頭更具流線型,能減少阻力,同時駕駛員在駕駛艙的視野也比傳統(tǒng)的機頭更加寬闊。從這一點就可看出,國產(chǎn)大客機將更強調(diào)省油和經(jīng)濟性。C919的確擁有很多優(yōu)勢。C919從機頭、機翼到機尾、發(fā)動機,在設(shè)計上都費盡心思,盡量減小阻力,有效降低油耗。在使用材料上,C9