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纖維復合材料在航天工業中的應用及特點
摘要：本文對纖維復合材料在航空航天領域的發展現狀和應用情況進行了綜合論述。簡要概述了纖維復合材料的特性，著重介紹了聚合物基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料以及碳/碳復合材料等的性能特點及其在航空航天領域中的應用。
關鍵詞：纖維復合材料 航空航天 應用 性能特點
1. 引言
隨著航空航天科學技術的不斷進步,促進了新材料的飛速發展,其中尤以先進復合材料的發展最為突出。目前主要指有較高強度和模量的硼纖維、碳纖維、芳綸等增強的復合材料,耐高溫的纖維增強陶瓷基復合材料,隱身復合材料,梯度功能復合材料等。【1】飛機和衛星制造材料要求質量輕、強度高、耐高溫、耐腐蝕,這些苛刻的條件,只有借助新材料技術才能解決。復合材料具有質量輕,較高的比強度、比模量,較好的延展性,抗腐蝕、導熱、隔熱、隔音、減振、耐高(低)溫,獨特的耐燒蝕性、透電磁波,吸波隱蔽性、材料性能的可設計性、制備的靈活性和易加工性等特點,是制造飛機、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。【2】
2. 纖維復合材料的特性
近年來，纖維復合材料在航空航天領域應用日益廣泛，這是由于它具有比強比模量高、抗疲勞性能好、減震性能優良、高溫性能好、斷裂安全性高、耐腐蝕性能優越等顯著優點。與傳統金屬等材料相比，顯示出較大的優越性，主要體現在以下方面：
(1)可設計性和各向異性。復合材料的力學、機械及熱、聲、光、電、防腐、抗老化等性能都可按照構件的使用或服役環境條件要求,通過組分材料的選擇和匹配以及界面控制等材料設計手段,最大限度地達到預期的目的,以滿足工程結構設計的使用性能,同時由于復合材料具有各向異性和非均勻性,可以通過合理的設計消除材料冗余,最大程度發揮材料及結構的潛力和效率。【3】
(2)材料與結構一體化。復合材料構件與材料是同時形成的,一般不再由“復合材料,’加工成復合材料構件,使之結構的整體性好,大幅度減少零部件
和連接件數量,從而縮短加工周期,降低成本,提高可靠性。【4】
(3)復合效應。復合材料是由各組分材料經過復合工藝形成的,但它不是幾種材料簡單的混合,而是按照復合效應形成的新的性能,這種復合效應是復合材料僅有的,通過復合效應,復合材料可以克服單一材料的某種性能缺陷。
(4)多功能性和發展性。復合材料組成的多樣性和隨意性為復合材料具有除力學性能以外的許多功能(如聲、光、電、磁、熱等)創造了條件,使復合材料擁有吸波、透波、耐熱、防熱、隔熱、導電、記憶、阻尼、摩擦、阻燃、透析等功能;同時與其它先進技術相結合,如與納米技術結合發展的納米復合材料、與生物、醫學科學相結合發展的生物復合材料、與微機電、控制、傳感技術等相結合發展的智能復合材料等,賦予了先進復合材料新的內涵。【5】
隨著先進復合材料研究、研制及應用的不斷擴大,其優越性能越來越得到
充分發揮和擴大。
3. 纖維復合材料在航天工業中的研究發展
航空航天所用的先進復合材料主要有聚合物基復合材料、金屬基復合材
料、陶瓷基復合材料和碳/碳復合材料等。【6】
3.1聚合物基復合材料
聚合物基復合材料在結構復合材料中發展最早，研究最多，應用最廣、規模最大。20世紀60年代的硼纖維和碳纖維增強塑料改善了玻璃纖維模量低的缺點，大量應用與航天航空等領域；20世紀80年代初期熱固性樹脂復合材料基礎上產生的熱塑性復合材料完善了聚合物基復合材料的工藝及理論，在航天工業得到全面應用。【7】聚合物基復合材料按基體的性質可分為樹脂基體和橡膠彈性基體?，F在樹脂基復合材料應用最為廣泛。
樹脂基復合材料是以高性能樹脂為基體、高性能連續纖維等為增強材料，通過一定的復合工藝制備而成，具有明顯優于原組分性能的一類新型材料。與傳統的鋼、鋁合金結構材料相比，它的密度約為鋼的1/5，鋁合金的1/2，且比強度與比模量遠高于后二者。
當前，航空航天用先進樹脂基復合材料大都為碳纖維增強熱固性樹脂復合材料，其中環氧樹脂占統治地位。高溫固化的環氧樹脂基體具有工藝性能好、綜合力學性能好和價格低等一系列優點，其主要缺點是耐濕熱性能較差。通過合成新型環氧樹脂，在環氧樹脂分子中增加憎水基團以降低吸濕性；采用新的固化劑代替傳統的DDS和使用新型韌性改性劑等，獲得了具有良好耐濕熱性能，可在130℃以上作為承力結構復合材料使用的高韌性環氧基復合材料。
雙馬來酰亞胺樹脂(BMI)樹脂的研究起步稍晚，但發展和應用速度很快。它的耐濕性和耐熱性均優于環氧樹脂，通過和多種化合物共聚和采用新型增韌劑增韌改型，目前己經獲得了復合材料的沖擊后壓縮強度(CAI)值達296MPa,最高使用溫度達177℃BMI復合材料。【8】
高溫樹脂基體的開發工作主要集中于聚酰亞胺樹脂，其中最負盛名的是PMR-15樹脂，已在發動機上得到了廣泛應用。由于鈦合金稀缺，聚酰亞胺預浸帶正研究用來替代500℃以下的鈦合金。【9】
氰酸酯樹脂具有低吸濕率、高韌性、高介電性能(介電常數2.7- 3.2，介電損耗0.001-0.005)等特點，它是未來結構功能一體化的優選材料。美國Amber公司開發的C740阻燃氰酸乙酯樹脂系統與碳纖維組成的材料固化后的工作溫度可達344℃，可用作無人機S-100的尾噴管及發動機。【10】
3.2 金屬基復合材料
航空航天領域所用到的金屬基復合材料主要是指以鋁、鎂、鈦等輕金屬為基體以高強度的第二相為增強體的復合材料。這類材料具有優良的導電性能、導熱性能、耐高溫性能、橫向性能、低消耗和優良的可加工性能，尤其是纖維增強鈦基復合材料，是先進航空承力部件的候選材料。憑借密度小、比剛度和比強度高、耐溫性好等優點，碳化硅纖維增強的鈦基復合材料在壓氣機葉片、整體葉環、盤、軸、機匣、傳動桿等部件上已經得到了廣泛應用。【11】
3.3 陶瓷基復合材料
陶瓷基復合材料使陶瓷材料的韌性大大改善，同時其強度、模量有了提高。目前連續纖維增強陶瓷基復合材料是一個主要的發展方向，它具有密度小、比模量高、比強度高、熱機械性能和抗熱振沖擊性能好等一系列優點，且具有更高的斷裂韌性及斷裂功、完全的非脆性破壞形式、優異的耐燒蝕性能或者絕熱性能，是未來航天科技發展的關鍵支撐材料之一、如 碳纖維增強陶瓷以及陶瓷纖維增 強陶瓷等。【12】
3.4 碳/碳復合材料
碳纖維增強碳復合材料是指用碳纖維來增強各種基質碳的材料，簡稱碳/碳復合材料。碳/碳復合材料是一種極好的熱結構材料，具有升華溫度高、力學性能好、抗熱振性能好、質量輕、抗輻照、輻射系數比較高、對雷達和光的可見度小等優點，主要用于航空航天領域。
4 纖維復合材料在航空航天領域的應用
4.1聚合物基復合材料在航空航天領域的應用
聚合物基復合材料在飛機結構中已經大量采用，以戰斗機為例，以應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。先進的F-22戰斗機樹脂基復合材料的用量為24%。民用飛機的應用部位以次結構以及飛機控制面為主。在主結構方面，目前主要是高強中模量和T800H以上的碳纖維/高性能增韌聚合物基復合材料應用于尾翼、機身等部件上。A380約25%由復合材料制造，其中22%由各種不同的增強型塑料復合材料制成，大部分是Hexcel公司和Cytec公司提供的碳纖維增強環氧樹脂(CFRP)。【13】其中，減速板、垂直和水平穩定器（用作油箱）、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、後密封隔框、後壓力艙、後機身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。
聚合物基復合材料在航天領域的導彈、運載火箭、航天器等重大工程系統以及其他地面設備配套件中都獲等了廣泛的應用，如歐洲的“阿里安4”運載火箭采用了大量的碳纖維增強環氧樹脂復合材料。衛星發射支架、儀器艙、大型整流罩、第一、二級之間的分離殼、助推器前錐和第二、三級級間段均采用碳纖維增強環氧樹脂復合材料制造而成。
自從玻璃鋼投入應用以來，聚合物基復合材料在航空航天領域的應用中有三個值得一提的成果。第一個是：第一件是美國全部用碳纖維復合材料制成一架八座商用飛機--里爾芳2100號，并試飛成功，這架飛機僅重567kg，它以結構小巧重量輕而稱奇于世。【14】第二件是采用大量先進復合材料制成的哥倫比亞號航天飛機，這架航天飛機用碳纖維/環氧樹脂制作長18.2m、寬4.6m的主貨艙門，用凱芙拉纖維/環氧樹脂制造各種壓力容器，用硼/鋁復合材料制造主機身隔框和翼梁。第三件是在波音-767大型客機上使用了先進復合材料作為主承力結構，這架可載80人的客運飛機使用碳纖維、有機纖維、玻璃纖維增強樹脂以及各種混雜纖維的復合材料制造了機翼前緣、壓力容器、引擎罩等構件，不僅使飛機結構重量減輕，還提高了飛機的各種飛行性能。
4.2金屬基復合材料在航空航天領域的應用
金屬基復合材料除了和樹脂基復合材料同樣具有高強度、高模量外，它能耐高溫，同時不燃、不吸潮、導熱導電性好、抗輻射。是令人注目的航空航天用高溫材料，可用作飛機渦輪發動機和火箭發動機熱區和超音速飛機的表面材料。
金屬基復合材料在航空航天領域的應用主要體現在鋁基復合材料和鈦基復合材料在航天航空領域的應用。
鋁基復合材料已廣泛應用于航天航空領域，尤其以纖維增強基鋁基復合材料，以B/Al復合材料為例。早在20世紀70年代，美國就把B/Al復合材料用到航天飛機軌道器上，該軌道器的主骨架使用89種243根重150kg的B/Al管材制成，比原設計的鋁合金主骨架減輕145 看過，相當于降低結構質量約44%.美國還用B/Al復合材料制造了J-79和F-100發動機的風扇和壓氣機葉片，制造了F-106、F-111飛機和衛星構件，減重效果達20%到60%。碳纖維增強鋁基復合材料常用于飛機構件。【15】SiC纖維增強鋁基復合材料可替代飛機結構中100度到300度使用的鈦合金零件。氧化鋁纖維增強鋁基復合材料可用于制造航空航天中某些設備和構件。
纖維增強鈦基復合材料的發展已有20年歷史，主要應用于航空航天框架結構以及渦輪發動機。采用SCS-6/TiMMC替代耐熱鋼制成RB211制造壓氣機轉子葉片可以使壓氣機質量減輕40%以上。哥倫比亞號航天飛機發動機組的傳力架全用硼纖維增強鈦合金復合材料制成。
4.3陶瓷基復合材料在航空航天領域的應用
陶瓷基復合材料在航空發動機熱端部件中的應用比較多。在航空發動機熱端部件中引入陶瓷基復合材料后，可以使熱端部件在高溫環境中工作，并降低發動機冷卻氣體流量 15%~25%，可有效提高發動機效率。
陶瓷基復合材料在發動機燃燒室火焰筒上的應用研究起步較早。早在 90 年代，GE 公司和 P&W 公司的EPM（Enabling Propulsion Materials）項目就已使用 SiCf SiC 陶瓷基復合材料制備燃燒室襯套，該襯套在 1 200℃環境下工作可以超過 10 000h。美國綜合高性能渦輪發動機技術計劃用碳化硅基復合材料制備的火焰筒，已在具有 JTAGG（先進渦輪發動機燃氣發生器計劃）第 I 階段溫度水平的 XTE65/2 驗證機中被驗證：在目標油氣比下，燃燒室溫度分布系數低，具有更高的性能，可耐溫 2 700 ℉（1 480℃）。【16】
陶瓷基復合材料密度低、耐高溫，對減輕渦輪葉片重量和降低渦輪葉片冷氣量意義重大。目前，國外多家研究機構已成功運用陶瓷基復合材料制備出耐高溫的渦輪葉片。NASA Glenn 研究中心研制的 SiCf/SiC 渦輪葉片可使冷卻空氣流量減少 15%~25%，并通過在燃燒室出口氣流速度 60m/s、6 個大氣壓（約 600000Pa）和 1 200℃工作環境中的試驗考核。【17】
目前，在一些發達國家已經成功的將陶瓷基復合材料用于衛星和導彈中，如作為高質量比全C/C噴管的結構支撐隔熱材料；小推力液體火箭發動機的燃燒室-噴管材料等。此外，C/SiC頭錐和機翼前緣還成功地提高了航天飛機的熱防護性能。熔融石英基復合材料是一種優良的防熱-介電透波材料，作為導彈的天線窗在中遠程導彈上具有不可取代的地位。
4.4碳/碳復合材料在航空航天領域的應用
碳/碳復合材料首先作為抗燒蝕材料用于航天航空領域，如導彈鼻錐，火箭，導彈發動機的噴管的喉襯、擴展段、延長出口錐和導彈空氣舵等。
導彈、載人飛船、航天飛機等 ,在再入環境時飛行器頭部受到強激波， 對頭部產生很大的壓力，其最苛刻部位溫度可達2760℃,所以必須選擇能夠承受再入環境苛刻條件的材料。設計合理的鼻錐外形和選材，能使實際流入飛行器的能量僅為整個熱量1%～10%左右。三維編織的 C/ C復合材料，其石墨化后的熱導性足以滿足彈頭再入時由160 ℃至氣動加熱至1700 ℃時的熱沖擊要求，可以預防彈頭鼻錐的熱應力過大引起的整體破壞;其低密度可提高導彈彈頭射程，已在很多戰略導彈彈頭上得到應用。除了導彈的再入鼻錐，C/ C 復合材料還可作熱防護材料用于航天飛機。
C/ C 復合材料自上世紀70 年代首次作為固體火箭發動機(SRM) 喉襯飛行成功以來，極大地推動了SRM噴管材料的發展。采用 C/ C 復合材料的喉襯、擴張段、延伸出口錐，具有極低的燒蝕率和良好的燒蝕輪廓，可提高噴管效率1 %～3%,即可大大提高了SRM 的比沖。喉襯部一般采用多維編織的高密度瀝青基C/ C復合材料，增強體多為整體針刺碳氈、多向編織等,并在表面涂覆SiC以提高抗氧化性和抗沖蝕能力。美國在此方面的應用有：①“民兵2Ⅲ”導彈發動機第三級的噴管喉襯材料； ②“北極星”A27 發動機噴管的收斂段；③MX 導彈第三級發動機的可延伸出口錐(三維編織薄壁 C/ C 復合材料制品)。俄羅斯用在潛地導彈發動機的噴管延伸錐(三維編織薄壁 C/ C復合材料制品) 。【18】
由于 C/ C 復合材料的高溫力學性能，使之有可能成為工作溫度達1500～1700 ℃的航空發動機的理想材料,有著潛在的發展前景?！/ C 復合材料在渦輪機及燃氣系統 (已成功地用于燃燒室、導管、閥門) 中的靜止件和轉動件方面有著潛在的應用前景,例如用于葉片和活塞，可明顯減輕重量 ,提高燃燒室的溫度 ,大幅度提高熱效率。
C/ C 復合材料在航空領域應用的最成功范例是作為摩擦材料用于飛機剎車盤。目前世界上已有六十余種飛機采用了C/C剎車裝置，如空中客車公司所有的飛機都采用C/C剎車裝置，波音公司的B747-400和 B777都采用了C/C剎車裝置。軍用飛機基本上都采用C/C剎車裝置。使用C/C剎車裝置后可以減輕飛機質量，如B-1轟炸機采用C/C剎車裝置后，剎車盤質量由1406kg降至725kg；空中客車A-310減重499kg,A-330減重998kg。【19】
5 結論
我國正在大力發展軍用飛機、支線飛機、大型商用客機，導彈，衛星以及航天飛機等項目，這些領域的發展急需先進復合材料的進步。經過多年的發展!我國纖維復合材料逐漸形成體系，部分已經滿足了航空航天器型號的技術要求，但總體上與發達國家還有一定的差距，因此，必須在纖維復合材料的關鍵技術上進行重點研制和創新，為國防和航天航空事業發展建立必要的物質保證。
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