摘要：本文对纤维复合材料在航空航天领域的发展现状和应用情况进行了综合论述。简要概述了纤维复合材料的特性，着重介绍了聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料等的性能特点及其在航空航天领域中的应用。

关键词：纤维复合材料  航空航天  应用  性能特点

1. 引言

    随着航空航天科学技术的不断进步,促进了新材料的飞速发展,其中尤以先进复合材料的发展最为突出。目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维、芳纶等增强的复合材料,耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料,隐身复合材料,梯度功能复合材料等。^【1】飞机和卫星制造材料要求质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀,这些苛刻的条件,只有借助新材料技术才能解决。复合材料具有质量轻,较高的比强度、比模量,较好的延展性,抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温,独特的耐烧蚀性、透电磁波,吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点,是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。^【2】

2. 纤维复合材料的特性

    近年来，纤维复合材料在航空航天领域应用日益广泛，这是由于它具有比强比模量高、抗疲劳性能好、减震性能优良、高温性能好、断裂安全性高、耐腐蚀性能优越等显著优点。与传统金属等材料相比，显示出较大的优越性，主要体现在以下方面：

       (1)可设计性和各向异性。复合材料的力学、机械及热、声、光、电、防腐、抗老化等性能都可按照构件的使用或服役环境条件要求,通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段,最大限度地达到预期的目的,以满足工程结构设计的使用性能,同时由于复合材料具有各向异性和非均匀性,可以通过合理的设计消除材料冗余,最大程度发挥材料及结构的潜力和效率。^【3】

(2)材料与结构一体化。复合材料构件与材料是同时形成的,一般不再由“复合材料,’加工成复合材料构件,使之结构的整体性好,大幅度减少零部件

和连接件数量,从而缩短加工周期,降低成本,提高可靠性。^【4】

       (3)复合效应。复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的,但它不是几种材料简单的混合,而是按照复合效应形成的新的性能,这种复合效应是复合材料仅有的,通过复合效应,复合材料可以克服单一材料的某种性能缺陷。

       (4)多功能性和发展性。复合材料组成的多样性和随意性为复合材料具有除力学性能以外的许多功能(如声、光、电、磁、热等)创造了条件,使复合材料拥有吸波、透波、耐热、防热、隔热、导电、记忆、阻尼、摩擦、阻燃、透析等功能;同时与其它先进技术相结合,如与纳米技术结合发展的纳米复合材料、与生物、医学科学相结合发展的生物复合材料、与微机电、控制、传感技术等相结合发展的智能复合材料等,赋予了先进复合材料新的内涵。^【5】

    随着先进复合材料研究、研制及应用的不断扩大,其优越性能越来越得到充分发挥和扩大。

3. 纤维复合材料在航天工业中的研究发展

    航空航天所用的先进复合材料主要有聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料等。^【6】

3.1聚合物基复合材料

 聚合物基复合材料在结构复合材料中发展最早，研究最多，应用最广、规模最大。20世纪60年代的硼纤维和碳纤维增强塑料改善了玻璃纤维模量低的缺点，大量应用与航天航空等领域；20世纪80年代初期热固性树脂复合材料基础上产生的热塑性复合材料完善了聚合物基复合材料的工艺及理论，在航天工业得到全面应用。^【7】聚合物基复合材料按基体的性质可分为树脂基体和橡胶弹性基体。现在树脂基复合材料应用最为广泛。

树脂基复合材料是以高性能树脂为基体、高性能连续纤维等为增强材料，通过一定的复合工艺制备而成，具有明显优于原组分性能的一类新型材料。与传统的钢、铝合金结构材料相比，它的密度约为钢的1/5，铝合金的1/2，且比强度与比模量远高于后二者。

    当前，航空航天用先进树脂基复合材料大都为碳纤维增强热固性树脂复合材料，其中环氧树脂占统治地位。高温固化的环氧树脂基体具有工艺性能好、综合力学性能好和价格低等一系列优点，其主要缺点是耐湿热性能较差。通过合成新型环氧树脂，在环氧树脂分子中增加憎水基团以降低吸湿性；采用新的固化剂代替传统的DDS和使用新型韧性改性剂等，获得了具有良好耐湿热性能，可在130℃以上作为承力结构复合材料使用的高韧性环氧基复合材料。

    双马来酰亚胺树脂(BMI)树脂的研究起步稍晚，但发展和应用速度很快。它的耐湿性和耐热性均优于环氧树脂，通过和多种化合物共聚和采用新型增韧剂增韧改型，目前己经获得了复合材料的冲击后压缩强度(CAI)值达296MPa,最高使用温度达177℃BMI复合材料。^【8】

    高温树脂基体的开发工作主要集中于聚酰亚胺树脂，其中最负盛名的是PMR-15树脂，已在发动机上得到了广泛应用。由于钛合金稀缺，聚酰亚胺预浸带正研究用来替代500℃以下的钛合金。^【9】

    氰酸酯树脂具有低吸湿率、高韧性、高介电性能(介电常数2.7- 3.2，介电损耗0.001-0.005)等特点，它是未来结构功能一体化的优选材料。美国Amber公司开发的C740阻燃氰酸乙酯树脂系统与碳纤维组成的材料固化后的工作温度可达344℃，可用作无人机S-100的尾喷管及发动机。^【10】

3.2  金属基复合材料

    航空航天领域所用到的金属基复合材料主要是指以铝、镁、钛等轻金属为基体以高强度的第二相为增强体的复合材料。这类材料具有优良的导电性能、导热性能、耐高温性能、横向性能、低消耗和优良的可加工性能，尤其是纤维增强钛基复合材料，是先进航空承力部件的候选材料。凭借密度小、比刚度和比强度高、耐温性好等优点，碳化硅纤维增强的钛基复合材料在压气机叶片、整体叶环、盘、轴、机匣、传动杆等部件上已经得到了广泛应用。^【11】

3.3  陶瓷基复合材料

    陶瓷基复合材料使陶瓷材料的韧性大大改善，同时其强度、模量有了提高。目前连续纤维增强陶瓷基复合材料是一个主要的发展方向，它具有密度小、比模量高、比强度高、热机械性能和抗热振冲击性能好等一系列优点，且具有更高的断裂韧性及断裂功、完全的非脆性破坏形式、优异的耐烧蚀性能或者绝热性能，是未来航天科技发展的关键支撑材料之一、如 碳纤维增强陶瓷以及陶瓷纤维增 强陶瓷等。^【12】

3.4  碳/碳复合材料

    碳纤维增强碳复合材料是指用碳纤维来增强各种基质碳的材料，简称碳/碳复合材料。碳/碳复合材料是一种极好的热结构材料，具有升华温度高、力学性能好、抗热振性能好、质量轻、抗辐照、辐射系数比较高、对雷达和光的可见度小等优点，主要用于航空航天领域。

4. 纤维复合材料在航空航天领域的应用

4.1聚合物基复合材料在航空航天领域的应用

    聚合物基复合材料在飞机结构中已经大量采用，以战斗机为例，以应用部位几乎遍布飞机的机体，包括垂直尾翼，水平尾翼，机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。先进的F-22战斗机树脂基复合材料的用量为24%。民用飞机的应用部位以次结构以及飞机控制面为主。在主结构方面，目前主要是高强中模量和T800H以上的碳纤维/高性能增韧聚合物基复合材料应用于尾翼、机身等部件上。A380约25%由复合材料制造，其中22%由各种不同的增强型塑料复合材料制成，大部分是Hexcel公司和Cytec公司提供的碳纤维增强环氧树脂(CFRP)。^【13】其中，减速板、垂直和水平稳定器（用作油箱）、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、後密封隔框、後压力舱、後机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。

    聚合物基复合材料在航天领域的导弹、运载火箭、航天器等重大工程系统以及其他地面设备配套件中都获等了广泛的应用，如欧洲的“阿里安4”运载火箭采用了大量的碳纤维增强环氧树脂复合材料。卫星发射支架、仪器舱、大型整流罩、第一、二级之间的分离壳、助推器前锥和第二、三级级间段均采用碳纤维增强环氧树脂复合材料制造而成。

    自从玻璃钢投入应用以来，聚合物基复合材料在航空航天领域的应用中有三个值得一提的成果。第一个是：第一件是美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机--里尔芳2100号，并试飞成功，这架飞机仅重567kg，它以结构小巧重量轻而称奇于世。^【14】第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长18.2m、宽4.6m的主货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器，用硼/铝复合材料制造主机身隔框和翼梁。第三件是在波音-767大型客机上使用了先进复合材料作为主承力结构，这架可载80人的客运飞机使用碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树脂以及各种混杂纤维的复合材料制造了机翼前缘、压力容器、引擎罩等构件，不仅使飞机结构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。

4.2金属基复合材料在航空航天领域的应用

    金属基复合材料除了和树脂基复合材料同样具有高强度、高模量外，它能耐高温，同时不燃、不吸潮、导热导电性好、抗辐射。是令人注目的航空航天用高温材料，可用作飞机涡轮发动机和火箭发动机热区和超音速飞机的表面材料。

    金属基复合材料在航空航天领域的应用主要体现在铝基复合材料和钛基复合材料在航天航空领域的应用。

 铝基复合材料已广泛应用于航天航空领域，尤其以纤维增强基铝基复合材料，以B/Al复合材料为例。早在20世纪70年代，美国就把B/Al复合材料用到航天飞机轨道器上，该轨道器的主骨架使用89种243根重150kg的B/Al管材制成，比原设计的铝合金主骨架减轻145 看过，相当于降低结构质量约44%.美国还用B/Al复合材料制造了J-79和F-100发动机的风扇和压气机叶片，制造了F-106、F-111飞机和卫星构件，减重效果达20%到60%。碳纤维增强铝基复合材料常用于飞机构件。^【15】SiC纤维增强铝基复合材料可替代飞机结构中100度到300度使用的钛合金零件。氧化铝纤维增强铝基复合材料可用于制造航空航天中某些设备和构件。

    纤维增强钛基复合材料的发展已有20年历史，主要应用于航空航天框架结构以及涡轮发动机。采用SCS-6/TiMMC替代耐热钢制成RB211制造压气机转子叶片可以使压气机质量减轻40%以上。哥伦比亚号航天飞机发动机组的传力架全用硼纤维增强钛合金复合材料制成。

4.3陶瓷基复合材料在航空航天领域的应用

    陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件中的应用比较多。在航空发动机热端部件中引入陶瓷基复合材料后，可以使热端部件在高温环境中工作，并降低发动机冷却气体流量 15%~25%，可有效提高发动机效率。

    陶瓷基复合材料在发动机燃烧室火焰筒上的应用研究起步较早。早在 90 年代，GE 公司和 P&W 公司的EPM（Enabling Propulsion Materials）项目就已使用 SiCf SiC 陶瓷基复合材料制备燃烧室衬套，该衬套在 1 200℃环境下工作可以超过 10 000h。美国综合高性能涡轮发动机技术计划用碳化硅基复合材料制备的火焰筒，已在具有 JTAGG（先进涡轮发动机燃气发生器计划）第 I 阶段温度水平的 XTE65/2 验证机中被验证：在目标油气比下，燃烧室温度分布系数低，具有更高的性能，可耐温 2 700 ℉（1 480℃）。^【16】

    陶瓷基复合材料密度低、耐高温，对减轻涡轮叶片重量和降低涡轮叶片冷气量意义重大。目前，国外多家研究机构已成功运用陶瓷基复合材料制备出耐高温的涡轮叶片。NASA Glenn 研究中心研制的 SiCf/SiC 涡轮叶片可使冷却空气流量减少 15%~25%，并通过在燃烧室出口气流速度 60m/s、6 个大气压（约 600000Pa）和 1 200℃工作环境中的试验考核。^【17】

    目前，在一些发达国家已经成功的将陶瓷基复合材料用于卫星和导弹中，如作为高质量比全C/C喷管的结构支撑隔热材料；小推力液体火箭发动机的燃烧室-喷管材料等。此外，C/SiC头锥和机翼前缘还成功地提高了航天飞机的热防护性能。熔融石英基复合材料是一种优良的防热-介电透波材料，作为导弹的天线窗在中远程导弹上具有不可取代的地位。

4.4碳/碳复合材料在航空航天领域的应用

    碳/碳复合材料首先作为抗烧蚀材料用于航天航空领域，如导弹鼻锥，火箭，导弹发动机的喷管的喉衬、扩展段、延长出口锥和导弹空气舵等。

    导弹、载人飞船、航天飞机等 ,在再入环境时飞行器头部受到强激波， 对头部产生很大的压力，其最苛刻部位温度可达2760℃,所以必须选择能够承受再入环境苛刻条件的材料。设计合理的鼻锥外形和选材，能使实际流入飞行器的能量仅为整个热量1%～10%左右。三维编织的 C/ C复合材料，其石墨化后的热导性足以满足弹头再入时由160 ℃至气动加热至1700 ℃时的热冲击要求，可以预防弹头鼻锥的热应力过大引起的整体破坏;其低密度可提高导弹弹头射程，已在很多战略导弹弹头上得到应用。除了导弹的再入鼻锥，C/ C 复合材料还可作热防护材料用于航天飞机。

      C/ C 复合材料自上世纪70 年代首次作为固体火箭发动机(SRM) 喉衬飞行成功以来，极大地推动了SRM喷管材料的发展。采用 C/ C 复合材料的喉衬、扩张段、延伸出口锥，具有极低的烧蚀率和良好的烧蚀轮廓，可提高喷管效率1 %～3%,即可大大提高了SRM 的比冲。喉衬部一般采用多维编织的高密度沥青基C/ C复合材料，增强体多为整体针刺碳毡、多向编织等,并在表面涂覆SiC以提高抗氧化性和抗冲蚀能力。美国在此方面的应用有：①“民兵2Ⅲ”导弹发动机第三级的喷管喉衬材料； ②“北极星”A27 发动机喷管的收敛段；③MX 导弹第三级发动机的可延伸出口锥(三维编织薄壁 C/ C 复合材料制品)。俄罗斯用在潜地导弹发动机的喷管延伸锥(三维编织薄壁 C/ C复合材料制品) 。^【18】

    由于 C/ C 复合材料的高温力学性能，使之有可能成为工作温度达1500～1700 ℃的航空发动机的理想材料,有着潜在的发展前景。　C/ C 复合材料在涡轮机及燃气系统 (已成功地用于燃烧室、导管、阀门) 中的静止件和转动件方面有着潜在的应用前景,例如用于叶片和活塞，可明显减轻重量 ,提高燃烧室的温度 ,大幅度提高热效率。

      C/ C 复合材料在航空领域应用的最成功范例是作为摩擦材料用于飞机刹车盘。目前世界上已有六十余种飞机采用了C/C刹车装置，如空中客车公司所有的飞机都采用C/C刹车装置，波音公司的B747-400和 B777都采用了C/C刹车装置。军用飞机基本上都采用C/C刹车装置。使用C/C刹车装置后可以减轻飞机质量，如B-1轰炸机采用C/C刹车装置后，刹车盘质量由1406kg降至725kg；空中客车A-310减重499kg,A-330减重998kg。^【19】

5. 结论

我国正在大力发展军用飞机、支线飞机、大型商用客机，导弹，卫星以及航天飞机等项目，这些领域的发展急需先进复合材料的进步。经过多年的发展!我国纤维复合材料逐渐形成体系，部分已经满足了航空航天器型号的技术要求，但总体上与发达国家还有一定的差距，因此，必须在纤维复合材料的关键技术上进行重点研制和创新，为国防和航天航空事业发展建立必要的物质保证。

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