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先进复合材料在航空航天中的应用
及发展
胡军 材料08A-1 08108010205 2011年12月14
日 先进复合材料在在航空领域的应用
摘要：介绍了材料的发展史，并且介绍了材料的分类，主要介绍了复合材料的现状。复合材料在航空航天领域的应用。最后介绍了复合材料在航空航天的发展。航空领域应用的新进展，先进复合材料在航空航天领域的应用。关键词： 复合材料；航空航天；国防；先进复合材料
1.1 前言
材料是人们生活和生产必须的物质基础。也是人类进化的重要里程碑。材料科学主要研究材料的成分、分子或原子机构、微观及宏观组织以及加工制造工艺和性能之间的关系。它是一门边缘新科学，主要一固态物理和固态化学、晶体学、热力学等位基础，结合冶金化工及各种高新科技术来探讨材料内在规律和应用。材料是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质。但并不是所有物质都可称为材料，如燃料和化工原料、工业化学品、食物和药品等，一般都不算作材料。
1.2材料可按多种方法进行分类。
按物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。按用途分为电子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。
实际应用中又常分为结构材料和功能材料。结构材料是以力学性质为基础，用以制造以受力为主的构件。结构材料也有物理性质或化学性质的要求，如光泽、热导率、抗辐照能力、抗氧化、抗腐蚀能力等，根据材料用途不同，对性能的要求也不一样。功能材料主要是利用物质的物理、化学性质或生物现象等对外界变化产生的不同反应而制成的一类材料。如半导体材料、超导材料、光电子材料、磁性材料等。
材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代，人们把信息、材料和能源作为社会文明的支柱。80年代，随着高技术群的兴起，又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。现代社会，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。
1.3材料的发展简史
人类社会的发展历程，是以材料为主要标志的。100万年以前，原始人以石头作为工具，称旧石器时代。1万年以前，人类对石器进行加工，使之成为器皿和精致的工具，从而进入新石器时代。新石器时代后期，出现了利用粘土烧制的陶器。人类在寻找石器过程中认识了矿石，并在烧陶生产中发展了冶铜术，开创了冶金技术。公元前5000年，人类进入青铜器时代。公元前1200年，人类开始使用铸铁，从而进入了铁器时代。随着技术的进步，又发展了钢的制造技术。18世纪，钢铁工业的发展，成为产业革命的重要内容和物质基础。19世纪中叶，现代平炉和转炉炼钢技术的出现，使人类真正进入了钢铁时代。与此同时，铜、铅、锌也大量得到应用，铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。直到20世纪中叶，金属材料在材料工业中一直占有主导地位。
20世纪中叶以后，科学技术迅猛发展，作为发明之母和产业粮食的新材料又出现了划时代的变化。首先是人工合成高分子材料问世，并得到广泛应用。先后出现尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及维尼纶、合成橡胶、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。仅半个世纪时间，高分子材料已与有上千年历史的金属材料并驾齐驱，并在年产量的体积上已超过了钢，成为国民经济、国防尖端科学和高科技领域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的发展。陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。50年代，合成化工原料和特殊制备工艺的发展，使陶瓷材料产生了一个飞跃，出现了从传统陶瓷向先进陶瓷的转变，许多新型功能陶瓷形成了产业，满足了电力、电子技术和航天技术的发展和需要。
结构材料的发展，推动了功能材料的进步。20世纪初，开始对半导体材料进行研究。50年代，制备出锗单晶，后又制备出硅单晶和化合物半导体等，使电子技术领域由电子管发展到晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路。半导体材料的应用和发展，使人类社会进入了信息时代。
现代材料科学技术的发展，促进了金属、非金属无机材料和高分子材料之间的密切联系，从而出现了一个新的材料领域——复合材料。复合材料以一种材料为基体，另一种或几种材料为增强体，可获得比单一材料更优越的性能。复合材料作为高性能的结构材料和功能材料，不仅用于航空航天领域，而且在现代民用工业、能源技术和信息技术方面不断扩大应用。
1.4复合材料的发展和应用
复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。
复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。
复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达7.5万吨，汽车等领域的用量仅为2.4万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。
1.4．1先进复合材料在航空航天领域的应用
碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性、纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能，被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。2005 年世界碳纤维的耗用量已超过2 万吨，图1 为21 世纪前十年碳纤维需求量的统计预测情况。航空航天领域的碳纤维需求情况见表1 所示，约占总消耗量的20％左右。
图 1: 世界碳纤维需求量(单位:吨)可维的需求量有所减少，2002 年约减少20%，2003 年则减少约9 %。2003 年以后航空航天领域对碳纤维的需求出现快速增长，2006 年与2001 年相比将增长约40 %，2008 年将增长约76 %，到2010 年和2001 年相比预计增长超过100%。本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展［2］
表 1: 世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测
1.4.2 航空领域应用的新进展
T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的为拉伸强度达到5.5GPa，断裂应变高出T300 碳纤维的30％的高强度中模量碳纤维T800H纤维。军品碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标，结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材料。
图 2: 美国F－22 军用飞机
民品
在民用领域，555座的世界最大飞机A380由于CFRP的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP), 3%为首次用于民用飞机的GLARE纤维－金属板（铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构）。这些部件包括：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、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。继A340对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封框――复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后，A380又一次对连接机翼与机身主体结构中央翼盒新的禁区发起了成功挑战［3］。仅此一项就比最先进的铝合金材料减轻重量1.5吨。由于CFRP的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。从而大大减少了油耗和排放，燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%--20%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。
图 3: 空中客车A-380 1.4.3 航天领域的新进展
火箭、导弹以高性能碳(石墨)纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上，碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料，在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用，美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，如美国三叉戟-2 导弹、战斧式巡航导弹、大力神一4 火箭、法国的阿里安一2 火箭改型、日本的M-5火箭等发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为5.3GPa 的IM-7 碳纤维，性能最高的是东丽T-800 纤维，抗拉强度5.65Gpa、杨氏模量300GPa。由于粘胶基原丝的生产由于财经及环保危机的加剧，航天级粘胶碳丝原料的来源一
［4］直是美国及西欧的军火商们深感棘手的恼头问题。五年前，法国SAFRAN 公司与美国WaterburyFiberCote Industries 公司以有充分来源的非航天级粘胶原丝新原料开发成功名为RaycarbC2TM 的新型纤维素碳布，并经受了美军方包括加工、热/结构性质及火焰冲刷试验在内的全部资格测试，在固体发动机的全部静态试验中都证明该替代品合格，2004 年十一月，该碳布/酚醛复合材料已用于阿里安娜V Flight164上成功飞行。
图 4: 法国阿里安娜V 型导弹
卫星、航天飞机及载人飞船高模量碳纤维质轻，刚性，尺寸稳定性和导热性好，因此很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作，而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。
碳纤维增强树脂基复合材料被作航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。美国发现号航天飞机的热瓦，十分关键，可以保证其能安全地重复飞行。一共有8 种：低温重复使用表面绝热材料LRSI；高温重复使用表面绝热材料HRSI；柔性重复使用表面绝热材料FRSI；高级柔性重复使用表面绝热材料AFRI；高温耐熔纤维复合材料FRIC―HRSI；增强碳/碳材料RCC；金属；二氧化硅织物。其中增强碳/碳材料RCC，最为要的，它可以使航天飞机承受大气层所经受的最高温度1700℃。［5］
随着科学技术的进步，碳纤维的产量不断增大，质量逐渐提高，而生产成本稳步下降。各种性能优异的碳纤维复合材料将会越来越多地出现在航空航天中,为世界航空航天技术的发展作出更大的贡献。
另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。
先进复合材料共固化技术在某型机上自90年代初得到应用以来，已生产了350余架次，实现了工程化的目标。通过原材料的开发、辅助材料的国产化研究、共固化工艺的优化、性能测试项目的优化和修补技术的研究，将一套完整共固化技术应用于批生产的同时，又获得了极大的经济效益，实现了低成本共固化技术的工程化应用。通过该材料的工程化应用，我们可得出以下的结论：
（1）金属-橡胶组合式芯模用于盒形结构受力部件的共固化成型，能够实现均压效果，并能有效降低制造成本；
（2）国产化辅助材料的应用，能够满足复合材料制造使用工艺要求，降低工程化制造成本；
（3）工程化生产的随炉试样（片）性能跟踪测试项目，可以进行优化选择，以降低生产成本；
（4）工程化生产的同时，开展有针对性的修补技术研究，既可解决生产过程中超差品的修补问题，也是产品使用过程的有效保障，技术经济及社会效果兼得；
（5）降低热压罐成型法制造成本的其他有益研究还有待不断开发。
结语
先进复合材料以其比强度比模量高 耐高温性能好、耐疲劳性能优越等独特优点获得广泛应用、和迅速发展.真空袋成型，热压罐成型技术的成熟发展更是极大的推动了先进复合材料的发展,目前较多的采用热压罐成型工艺设备，存在成本过高，制件尺寸受限制，真空袋成型工艺由于具灵活简便高效等特点得到了广泛的应用。通过对热压罐成型工艺原理研究，提出了几种降低成本及改进工艺性能的方案，先进复合材料共固化技术成型的产品，从材料开发、工艺优化、性能检测到售后服务等环节，以低成本为主导线，详细描述了一个热压罐共固化技术工程化的范例，达到了在热压罐成型方面明显降低制造成本的目的。
