第一篇：航空复合材料应用
复合材料在航空中的应用
《飞行器设计与工程专业技术讲座
(三)》结课报告
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日期：2016年 10月09日
复合材料在航空中的应用
前言
现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料[1] 对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。进入21世纪以来，全球复合材料市场快速增长，亚洲尤其中国市场增长较快。2003～2008年间中国年均增速为15%，印度为9.5%，而欧洲和北美年均增幅仅为4%。
一.复合材料的简介
复合材料，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(微观)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或麦秸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。
二.在航空中常用的复合材料
60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维(如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等)为增强材料的复合材料，其比强度大于4×10厘米(cm)，比模量大于4×10cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料(具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料)、仿生复合材料、隐身复合材料等。
目前航空航天领域应用较广的复合材料航空主要包括树脂基复合材料、金属基复合材料、碳基复合材料和陶瓷基复合材料。
1.树脂基复合材料
树脂基复合材料有玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛、石英/酚醛、碳/酚醛、涤纶/酚醛材料和以不同树脂为基体的低密度烧蚀材料。其中玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛和石英/酚醛材料属于碳化--熔化型烧蚀村料，适用于中等焓值和中等热流密度的工作环境再入飞行器和中等推力的固体火箭发动机防热材料;碳/酚醛材料属于碳化--升华型烧蚀材料，适用于能发挥升华效应的较高焓值和较高热流密度的工作环境，可用于更远距离再入飞行器和高性能固体火箭发动机喷管等;涤纶/酚醛材料和低密度烧蚀材料适用于高焓、低热流和较长时间再入的航天飞行器如返回式卫星和飞船等。树脂基介电--防热材料有高硅氧/聚四氟乙烯材料，它属于升华--熔化型烧蚀材料，烧蚀过程中不生成碳，具有良好的透波性能，烧蚀性能与高硅氧/酚醛相匹配，用作航天器天线窗口材料。
先进树脂基复合材料是以高性能纤维为增强体、高性能树脂为基体的复合材料。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
1 二者。目前用途最广的主要有碳纤维复合材料( CFRP)和芳纶纤维复合材料( AFRP)。CFRP 具有比强度高、耐高温、减振性好、耐疲劳性能优越等突出优点,是目前民用飞机上用量最大,也是航空航天等尖端科技领域发展较为成熟的先进复合材料[2]。AFRP热稳定性好,耐介质性能优良,可作为复合装甲材料,有较强的防护力。国外近年致力于将该种材料用于制作军、民用飞机的"光谱屏蔽"材料,其关键性能指标------抗冲击性能相当出色。
2.金属基复合材料
金属基复合材料主要是指以Al、Mg等轻金属为基体的复合材料。在航空和宇航方面主要用它来代替轻但有毒的铍。这类材料具有优良的横向性能、低消耗和优良的可加工性,已成为在许多应用领域最具商业吸引力的材料,并且在国外已实现商品化。而在我国仅有少量批量生产,以汽车及机械零件为主,年产量仅5000吨左右,与国外差距较大[3]。
3.陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料
陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料属于耐热结构复合材料。目前美国和西欧各国侧重于对陶瓷基复合材料在航空和军事应用上的研究。美国国防部一直把这项技术列入重点投资项目,仅1992年美国投入陶瓷基复合材料应用研究的经费就高达3500万美元[4];法国SEP公司用陶瓷基复合材料制成的SCD- SEP火箭试验发动机已通过点火试车,并使结构减重50%[5]。国内从20世纪90年代初开始进行该领域的研究,目前尚未有批量生产的报道。
我国获得应用的陶瓷基耐高温防热/透波阻及防热，透波，承载多功能复合材料主要为二氧化硅基复合材料。二氧化硅基透波复合材料是以二氧化硅材料为基体，采用高硅氧纤维织物或石英纤维织物作为增强体，经浸渍增密、热处理、防潮处理等工艺技术途径制备的复合材料，具有优良的防热、耐热、透波、承载及抗冲击等功能。
三.应用现状
1.飞机机身上的应用
先进复合材料用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。目前被大量地应用在飞机机身结构制造上和小型无人机整体结构制造上。
飞机用复合材料经过近40年的发展,已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件, 可获得减轻质量( 20-30)% 的显著效果。目前已进入成熟应用期,对提高飞机战术技术水平的贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑, 其设计、制造和使用经验已日趋丰富。迄今为止, 战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30%左右,新一代战斗机将达到40%;直升机和小型飞机复合材料用量将达到( 70-80)%左右, 甚至出现全复合材料飞机。[5]“科曼奇”直升机的机身有70% 是由复合材料制成的,但仍计划通过减轻机身前下部质量,以及将复合材料扩大到配件和轴承中,以使飞机再减轻15%的质量。“阿帕奇”为了减轻质量,将采用复合材料代替金属机身。使用复合材料,未来的联合运输旋转翼(JTR)飞机的成本将减少6% ,航程增加55% ,或者载荷增加36%，以典型的第四代战斗机F/A-22为例复合材料占24.2% , 其中热固性复合材料占23.8%,热塑性复合材料占0.4%左右。热固性复合材料的70% 左右为双马来酰亚胺树脂(BMI,简称双马)基复合材料[6]，生产200多种复杂零件,其它主要为环氧树脂基复合材料,此外还有氰酸酯和热塑性树脂基复合材料等。主要应用部位为机翼、中机身蒙皮和隔框、尾翼等。近10年来,国内飞机上也较多的使用了复合材料。例如由国内3家科研单位合作开发研制的某歼击机复合材料垂尾壁板, 比原铝合金结构轻21kg, 减质量30% 。北京航空制造工程研究所研制并生产的QY8911/HT3。双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C热塑性树脂单向碳纤维预浸料及其复合材料,具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲劳性能,适合制造飞机主承力构件,可在120℃下长期工作,已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。在316℃这一极限温度下的环境中,复合材料不仅性能优于金属,而且经济效益高。据波音公司估算,喷气客机质量每减轻
2 1kg,飞机在整个使用期限内即可节省2200美元。
2.航空涡轮发动机上的应用
由于具有密度小、比强度高和耐高温等固有特性,复合材料在航空涡轮发动机上应用的范围越来越广且比例越来越大,使航空涡轮发动机向“非金属发动机”或“全复合材料发动机”方向发展。
(1) 树脂基复合材料
凭借比强度高,比模量高,耐疲劳与耐腐蚀性好,阻噪能力强的优点,树脂基复合材料在航空发动机冷端部件(风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等)和发动机短舱、反推力装置等部件上得到广泛应用。如JTAGG验证机的进气机匣采用碳纤维增强的PMR15树脂基复合材料,比采用铝合金质量减轻26%;F136发动机采用与F110-132发动机相似的复合材料风扇机匣,使质量减轻9kg。
( 2)碳化硅纤维增强的钛基复合材料[7]
凭借密度小( 有的仅为镍基合金的1/2),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。
( 3)陶瓷基复合材料[8]
目前主要的陶瓷基复合材料产品是以SiC或C纤维增强的SiC和SiN基复合材料。凭借密度较小(仅为高温合金的1/3-1/4),力学性能较高,耐磨性及耐腐蚀性好等优点,陶瓷基复合材料,尤其是纤维增强陶瓷基复合材料,已经开始应用于发动机高温静止部件(如喷嘴、火焰稳定器),并正在尝试应用于燃烧室火焰筒、涡轮转子叶片、涡轮导流叶片等部件上。
3.航空隐身材料上的应用
新型隐身材料对于飞机和导弹屏蔽或衰减雷达波或红外特征，提高自身生存和突防能力，具有至关重要的作用。在雷达波隐身材料方面，除涂层外，复合材料作为结构隐身材料正日益引起人们的关注，主要为碳纤维增强热固性树脂基复合材料(如C/EP、C/PI或C/BMI)和热塑性树脂基复合材料(如C/PEEK，C/PPS)，目前已经得到了某些应用。
四. 发展前景
复合材料是未来发展我国航空航天工程最有前途的材料,在未来的研制中涡轮发动机材料必须在抗拉强度、蠕变阻力、低和高循环疲劳、耐高温腐蚀和耐冲击损伤等方面满足要求。提高复合材料高耐热性、强度和韧性是发展复合材料的关键,今后在耐高温材料上应重点研制结构陶瓷、陶瓷复合材料, 和微叠层复合材料。同时要在研究低成本复合材料的制造技术上加大力度。
参考文献
[1]中国复合材料网
[2] 科学研究动态监测中心. 战略高技术研究动态监测快报[R]. 成都: 中科院成都文献情报中心, 2005 [3] 孙晋良. 当前中国尖端材料发展的现状和趋势[R].上海: 中国复合材料学会, 2004. [4] OKOJIE R S, SAVRUN E, NGUYEN P, et al Relirbility Evaluation of Direct Chip Attached Silicon Carbide Pressure Transducers[A]. 3rd International Conference on Sensors[ C]. Vienna, Austria: 2004. 24-27. [5] 张佐光. 功能复合材料[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004. 22-30. [6] 邓云, 王欣, 李建国, 等. 新型海冰调查设备--冰样压缩机[J]. 海洋技术, 2006, 25(1) : 50-53 [7] 张世银, 汪仁和. 多功能冻土三轴试验机的研制与应用[J]. 试验技术与试验机, 2007, 47( 1) : 67-70
3 [8] 高向群, T. H. Jacka. 人造冰和冰芯冰蠕变和方位组构发展对比[J]. 冰川冻土, 1995, 17(4) : 343-349
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对所学专业的认识和发展的打算
飞行器设计与工程专业(代码 082501)属于工学大类，航空航天类。一般设有飞行器设计、飞行力学与控制、直升机设计、空气动力学、飞行器结构强度等专业方面，主要研究的是各种航天飞行器，包括人造卫星、宇宙飞船、空间站、深空探测器运载火箭、航天飞机等空间飞行器及导弹的设计。
飞行器设计与工程专业毕业生一般可从事飞行器结构工程、民用机械、交通运输工程、船舶与海洋工程、工业与民用建筑工程、软件工程等方面的设计与科研、教学工作，从事航天器、火箭、导弹等的设计、实验、研究、运行维护等工作，还可从事航空和其他国民经济部门的技术和管理工作。主要从事飞行器(包括航天器与运载器)总体设计、结构设计与研究、结构强度分析与试验，并从事通用机械设计及制造的工作。
随着我国经济实力的强大，在国际上的地位逐渐提高，以及国际间综合国力竞争的日趋激烈，国家会对本专业相关职、行业的发展给以足够的重视。而且，次新科技革命的兴起、信息化时代的到来，对飞行器设计与工程专业的教育与科研也是一次极大的推动。借助这样的国际环境和国内经济的发展，以及良好的政策氛围和广阔的消费市场，本专业在未来肯定会有一个质与量的飞跃。
由于国家大力发展航空及相关事业，所以近年来飞行器设计与工程专业的毕业生在找工作时真可谓炙手可热、供不应求，北京、上海、西安等地航天科技院所的骨干和其他高新技术的研制与开发人员多半是从这一专业走出。但本专业的毕业生在择业时，应时刻谨记自己肩上的历史重任，把在学校所学到的过硬专业知识无私地奉献给祖国的蓝天事业，力争将“好钢用在刀刃上。”不要因为贪图了眼前一时的利益，被暂时物质利益所诱惑，而放弃了自己多年的专业学习。我国的空间技术研究的历史还不是很长，这方面的后备人才非常短缺。而培养出一个专门人才，国家会付出太大的代价，太多的时间。如此，出于对国家的利益，择业时的选择应该拿准。近年来，本专业的毕业生还有一个趋势——出国深造。这种选择未尝不可。到国外学习了他人先进的技术，再回国为祖国的空间技术献计献策献力，走一条“师夷长技以制夷”的捷径，可以缩短自己在黑暗中摸索的时间。
个人的计划打算是，毕业后先不急于寻找工作，先去读研深造，等自身有了较强的专业知识和较高的能力水准后再投入到工作中去!从而可以发挥更大的价值!
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第二篇：航空发动机复合材料的应用与研究
[摘要]：由于航空工业的迅猛发展，航空发动机复合材料应运而生，本文简单介绍了航空发动机复合材料的发展状况，以及主要的发展趋势，分析了发动机材料的各自独特的特性，并突显了复合材料在航空发动机发展中重要地位，为未来航空发动机的相关研究和研发奠定基础，使航空发动机相关制造工艺上再上一个新台阶。
[关键词]：发动机 C/C CMC 陶瓷基复合材料
中图分类号：V250.1 文献标识码：A 文章编号
1. 引言
科学技术迅速发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料性能提出了越来越高、越来越严和越来越多的要求，传统的单一材料已不能满足实际需要。这些都促进了人们对材料的研究逐步摆脱过去单纯靠经验的探索方法，而向着按预定材料的研究方向发展。此时，复合材料就应运而生。
2. 发动机复合材料
飞机、发动机结构材料家族中，复合材料是新成员。它是现代科学技术不断进步的结果，也是材料设计方面的一个突破。它综合了各种材料如纤维、树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点，按需要设计、复合成为综合性能优异的新型材料，复合材料已成为21世纪航空结构的支柱性材料。
2.1 碳/碳复合材料
1958年美国Chance-Vought航空公司科研人员在测定碳纤维增强酚醛树脂基复合材料中的碳纤维含量时，由于实验过程中的操作失误，聚合物基体没有被氧化，反而被热解，意外地得到了C/C复合材料，从而诞生了C/C复合材料。
80年代初，美国就开始研制碳/碳涡轮盘和涡轮叶片，以后又先后进行了F100飞机发动机的燃烧室和喷管试验，JTD试验机低压整体涡轮盘及叶片试验(运行温度为1649 ，比高温合金涡轮盘高出555 )，还进行了1760 地面超速试验。德国、俄罗斯和日本已相继成功研制涡轮外环和整体涡轮。此外，90年代初期，美国已在实施将碳/碳用于超高飞行器的飞机结构材料的计划，以实现飞行器全碳/碳株结构的设计和制造。
面对当今航空发动机对材料的要求的不断提高，C/C复合材料的发展方向为：(1)发展C/C的低成本快速致密化工艺。C/C复合材料的生产周期过长和致密化不均匀是影响其成本的主要因素，应该重视发展高效、高性能的致密化工艺;(2)加强涂层C/C在发动机工作环境下的试验考核研究。
2.2 树脂基复合材料
树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常用玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维增强体，经过特殊工艺加工而成的一种先进的复合材料。随着材料技术不断发展，各种先进树脂基复合材料在航空工业用量持续增加。它具有重量轻、强度高、耐介质、耐高温性能好、耐冲击性能强等一系列突出的特点，在日益发展的航空工业上广泛应用。
为适应新一代飞机对高性能材料的需要，各发达国家对先进树脂基复合材料的研究和开发都投入了大量的人力和物力，近几年来，在材料性能提高、工艺改进、成本降低等方面取得了重大的突破和发展。
近年来先进树脂基复合材料的发展主要围绕提高工作温度、改善湿/热性能、增大断裂韧性、降低制造成本等几个关键技术进行，航空发动机复合材料用高温树脂以聚酰亚胺(PI)为基础。其现状及发展趋势主要是：(1)提高耐热性，(2)提高冲击韧性，(3)低成本复合材料制造技术。
2.3 陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料在航空工业领域是一种非常有发展前途的新型结构材料。特别是在航空发动机制造应用中，越来越显示出它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻、硬度高的优点以外，还具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性能。目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超过了金属耐热材料，并具在很好的力学性能和化学稳定性，是高性能涡轮发动机高温区理想的极好材料。
20世纪初期，主要的陶瓷基复合材料产品是以 或 纤维增强的 和 基复合材料，用于制造静止零件，如加力筒体、燃烧室瓦片、喷嘴、火焰稳定器等以代替高温合金。
陶瓷基复合材料(CMC)的密度仅为高温合金的1/3～1/4，最高使用温度为1650 。其“耐高温和低密度”特性是金属和金属间化合物无法比拟的，因此美、英、法、日等发达国家一直把CMC列为新一代航空发动机材料的发展重点，并投入巨资进行研究。
目前世界各国针对下一代先进发动机对材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料。并取得了较大进展，有的已开始应用在现代航空发动机中。例如美国验证机的F120型发动机，它的高压涡轮密封装置，燃烧室的部分高温零件，均采用了陶瓷材料。法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。
3. 结束语
本文通过对复合材料发展的介绍，并列举出碳/碳复合材料、树脂基复合材料和陶瓷复合材料的应用情况，以及技术工艺等情况，在航空发动机的发展道路上展现了复合材料的光芒。对今后航空发动机新型复合材料的研制、改进有一定的意义。
参考文献
[1] 兰天.俄第六代航空发动机新材料和新工艺[M].上海：科技大世界学出版社，2000.
[2] 刘伯操.航空材料选用目录[M].北京：中国航空工业公司出版社，1995.
[3] IRWIN STAMBLER.Europe has own technology base to compete with ATS program in us[J].Gas Turbine Wrold，1995，25(6)：26-29.
The research and application of aeroengine
composite materials
Zhu Li Luo Yanchun Chen Yu Wang Xin
(Air Force Aviation University ， Changchun 130022，China)
ABSTRACT： With the rapid development of aviation industry， the aviation engine composite emerge as the times require， this paper simply introduces the development status of aeroengine composite materials， as well as the main trend of development， analysis the characteristics of engine materials are unique， and highlights the composite materials in aircraft engine development in an important position， to lay the foundation for the future research and development of aero engine， the engine manufacturing process to the last new step.
Key words： engine; C/C; CMC; Ceramic matrix composite materials
第三篇： 航空航天材料的应用与发展
S201201 张明洁 2012040301003 飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料，是航空航天工程技术发展的决定性因素之一。航空航天材料科学是材料科学中富有开拓性的一个分支。飞行器的设计不断地向材料科学提出新的课题，推动航空航天材料科学向前发展;各种新材料的出现也给飞行器的设计提供新的可能性，极大地促进了航空航天技术的发展。
航空航天材料的进展取决于下列3个因素:①材料科学理论的新发现：例如，铝合金的时效强化理论导致硬铝合金的发展;高分子材料刚性分子链的定向排列理论导致高强度、高模量芳纶有机纤维的发展。②材料加工工艺的进展：例如，古老的铸、锻技术已发展成为定向凝固技术、精密锻压技术，从而使高性能的叶片材料得到实际应用;复合材料增强纤维铺层设计和工艺技术的发展，使它在不同的受力方向上具有最优特性，从而使复合材料具有“可设计性”，并为它的应用开拓了广阔的前景;热等静压技术、超细粉末制造技术等新型工艺技术的成就创造出具有崭新性能的一代新型航空航天材料和制件，如热等静压的粉末冶金涡轮盘、高效能陶瓷制件等。③材料性能测试与无损检测技术的进步：现代电子光学仪器已经可以观察到材料的分子结构;材料机械性能的测试装置已经可以模拟飞行器的载荷谱，而且无损检测技术也有了飞速的进步。材料性能测试与无损检测技术正在提供越来越多的、更为精细的信息，为飞行器的设计提供更接近于实际使用条件的材料性能数据，为生产提供保证产品质量的检测手段。一种新型航空航天材料只有在这三个方面都已经发展到成熟阶段，才有可能应用于飞行器上。因此，世界各国都把航空航天材料放在优先发展的地位。
材料不仅是制造航空产品的物质基础，同时也是使航空产品达到人们所期望的技术性能、使用寿命与可靠性的技术基础。航空技术的进步与发展对航空材料起着积极的"牵引"作用;与此同时，材料科学与工程发展，新型材料的出现，制造工艺与理化测试技术的进步，又为航空新产品的设计与制造提供重要的物质与技术，从而对航空产业的发展起着有效的"推动"作用。例如，承载与隐形一体化材料的出现，既是隐形飞机设计构思提出的需求，同时也使隐形飞机从设想变为现实;优质单晶高温合金的出现，使发动机涡轮前温度得以大大提高，推动着高推重比航空发动机的进步。
由于航空产品具备高科技密集、系统庞大复杂、使用条件恶劣多变，要求长寿命、高可靠性和品种多、批量小等特点，从而使航空材料也相应地具有一系列特点：
(1)种类、品种、规格多。航空材料按用途分有结构材料、功能材料及工艺与辅助材料三大类：按化学成分分有金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料以及各种复合材料。各类材料又涉及众多的牌号、品种与规格。
(2)高的比强度(σb/ρ)和高的比刚度(E/ρ)是航空结构材料的重要特点。减轻结构重量既可增加飞机、直升机的运载能力，提高机动性，加大航程，又可减少燃油消耗。因此，高强度铝合金、钛合金以及先进复合材料在航空上得到广泛的应用。
(3)高温合金是航空材料极其重要的组成部分。燃气涡轮(包括涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴)发动机是现代飞机、直升机的主要动力装置，而各类高温合金则是制造现代航空燃气涡轮发动机的关键材料。随着发动机推重比(或功重比)的提高，涡轮前温度也随之升高，对材料的耐温要求也愈来愈高。
(4)质量要求高。由于飞机、直升机是一种载人反复运行的产品，在规定的使用寿命期内，对使用可靠性、安全性有着极其严格的要求。为此对航空材料要进行严格的质量控制。
(5)抗疲劳性能是航空材料的另一个突出特点。大量的事实说明，在飞机、发动机所发生的失效事件中，约80%以上是各种形式的疲劳损伤所引起。航空材料的抗疲劳性能是关系到航空产品使用可靠性和使用寿命的一项非常重要的性能指标。
(6)成本高、价格贵。由于航空产品品种多样而批量小，相应地航空材料的牌号品种也多，批量也小，难以形成规模化生产，同时质量要求又高，从而导致材料的成本高，价格贵。材料费用在航空产品成本中占有很大比重。如何降低其价格是航空材料发展的一个重要努力方向。
中国航空产业经历了从修理、引进、仿制到改进、改型和自行设计研制的发展历程。用以制造航空产品的材料也经历了引进、仿制、改进、改型和自行研制的发展历程。到目前为止，我国已定型生产的航空用金属、有机高分子材料、无机非金属材料以及复合材料的牌号约2000余个;已建成具有一定规模的航空材料研究与生产基地，拥有生产航空产品所需各类材料牌号、品种与规格的生产设备及检测仪器;先后制订了1000余份各类航空材料、热工艺及理化检测标准(包括国标、国军标与航空标准);编写出版了《中国航空材料手册》、《发动机结构设计用材料性能数据手册》及《航空材料选用目录》等;颁布了"航空工业材料及热工艺技术工作规定"、"航空材料(含锻、铸件)技术管理办法"等法规性文件。从总体上看，我国目前已定型生产的航空材料(含类别、牌号、品种与规格)及其相应的标准与规范，基本上能满足第二代航空产品批生产的需求。针对第三代航空产品所需关键材料，如热强钛合金、高强铝合金、超高强度结构钢不锈钢、树脂基复合材料、单晶与粉末高温合金等，从技术上看，已具备试用条件，但要转化为在特定工况下使用的零部件，并体现出第三代航空产品的总体效能(技术与战术性能、使用可靠性与寿命以及经济效益等)尚需做大量的工作。
我国航空材料的现状与新一代航空产品(飞机以F-22为代表，发动机以推比10为代表)对材料的需求之间尚存在较大的差距，主要有如下三方面：
(1)前沿材料研究滞后，新材料储备小，第三代、第四代航空产品所需的一些关键材料，如快速凝固材料、高强轻质结构材料、热强钛合金、超高强度钢、金属间化合物及以其为基的复合材料、树脂基复合材料等的研究滞后，与国外先进新材料研制水平的差距约为15～20年;
(2)新材料研制、生产和应用研究的基础条件较差，如超纯熔炼、高温整体扩散连接、喷射成型、等温锻造、电子束沉积涂层、纳米材料制备、超高温检测、超声显微镜、激光无损检测等先进的合成与加工设备、质量检测与控制手段等不能满足新材料研制、生产与应用的需要;
(3)一些常用结构材料的质量不稳定，性能数据分散，表面质量差，尺寸精度低，有些品种规格不能正常供货，满足不了生产使用要求。
建立中国航空材料体系的具体思路应包括以下几个层次：
1.逐步理顺和建立我国航空用各类材料的牌号序列 首先要对现有用于各类航空产品的材料加以收集汇总，然后按照"淘汰落后材料，限用综合性能差与使用面窄的材料，合并性能水平相近的材料，推荐综合性能好的材料，补充暂缺的先进材料"等原则，加以分类整理，建立起适合我国国情的具有不同性能水平档次的各类材料的牌号序列，并逐步纳入国标、国军标或航标。
2.正确处理并逐步解决多国材料并存、重复、互不兼容的复杂局面
(1)对已往在引进国外航空产品过程中所仿制的，目前尚未纳入国标、国军标或航标的各类国外材料，进行全面清理和综合对比分析，选择其中国内没有且有应用前景的材料牌号，加以研究完善，而后使其尽快纳入国标、国军标、或航标中，编入到该类材料的牌号序列中。其余的国外材料牌号要加以限用，即限制在除原引进航空产品以外的产品上使用。
(2)随着我国对外开放的深入和加入"WTO"步伐的临近，引进航空产品及技术将会不断增加，妥善处理其中的材料问题将是建立中国航空材料体系的关键。为此，要在熟悉和掌握国外各类材料牌号与标准的基础上，进行对比分析，分别采取代用与仿制两种方法加以处置。
首先是用国内现有材料牌号代用。由于各国矿产资源和技术水平的不同，一些工业发达国家先后形成了各自的材料牌号序列。各国间完全相同的材料牌号是极少的，大多数只存在相当或相近的对应关系。因此，如果国内现有某材料牌号的化学成分与引进产品所用某一材料的化学成分相近，力学性能与工艺性能相当，即可用该材料代用相应国外材料。在这里需要的是理性的、实事求是的科学分析，必须摒弃过去那种"一丝不苟"照搬照抄国外的做法。在没有相应国内材料牌号与之对应的国外材料，且又没有仿制价值时，可根据具体的使用条件，采取"以优代劣"的办法加以处置。其次是对国内现有材料牌号难以代用的少量国外材料可作如下处置：对确有先进性和应用前景者，则可立项仿制;若用量少，要求高，国内难以仿制生产或虽可仿制生产，但经济上很不合算，同时国外又能正常供货的材料，可直接向国外采购，不必拘泥于"一切立足于国内"。
3.加大对现有定型材料的改进改型研究力度 通过调控成分或变更工艺等手段，充分挖掘现有材料的潜力，做到"一材多用"。
4. 加强对新材料的研究 先进航空产品的发展，对材料的要求愈来愈高，因此，要加强对树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、金属间化合物、高强高韧、可焊、耐蚀合金钢、高强铝合金、耐热钛合金等的研究。
5.在建立材料牌号序列的同时，建立航空材料性能数据库 对那些用作关键件、重要件的材料，要补充测试有关结构设计、可靠性评估与寿命预测等所需的性能数据。
6.加强特种工艺和理化测试技术的开发研究 在制订材料标准的同时，制订相应的特种工艺及理化检测标准，形成完整的标准系列，达到扩大材料应用范围，提高材料的应用技术经济效益。
7.建立和完善运行机制及行业规范 在有关材料选用、材料研制和材料采购等方面，建立和完善与市场经济相适应的运行机制及一套行之有效的行为规范，理顺材料选用、材料研制材料采购等部门之间的关系，使这方面的工作走上科学化、规范化和程序化的轨道。
第四篇：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。
第五篇：复合材料在航天航空领域的应用现状与展望
摘
要现代飞机和卫星的制造材料应具有质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特性，先进复合材料的独有性能使它成为制造卫星和飞机的理想材料。本文重点介绍了我国航天用符合材料的研究情况，并展望了今后的发展趋势。
关键词复合材料;航空航天;应用现状;发展趋势
Prospect and Application of Composites in Aviation and Aerospace
Abstract
Nowadays, the material of producing planes and satellites should be light, strong and should resist high temperature, corrosion and so on. Because of the unique peculiarities, advanced composites become the ideal material of producing planes and satellites. In this paper, the present status and prospect of applied research on composite materials for aero-space application in China are given. Key words composites; aviation and aerospace ; application and development; development trends
1
0 前言
材料是社会发展的物质基础和先导，而新型材料则是体现社会进步的重要里程碑。新材料技术是支撑当今人类文明的现代工业关键技术，新材料技术一直是各国科技发展规划中一个十分重要的领域，它与能源技术、生物技术、信息技术一起被公认为当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高科技技术。复合化是新型材料的重要发展方向，也是新型材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一。复合材料已发展成为与金属材料、高分子材料、无机非金属材料并列的四大材料体系之一。今天，一个国家的复合材料工业水平已经成为衡量其科技与经济实力的主要标志之一。先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争优势的源泉。预测到2020年，只有复合材料才具有潜力获得20-25%的性能提升。
复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原有组分材料的主要特色，又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同，从而获得原组分材料无法比拟的优越性能，与一般材料的简单混合体有本质的区别。所谓先进复合材料是指用碳纤维等高性能增强相增强的复合材料，对于先进树脂基复合材料，在综合性能上与铝合金相当，但比刚度比强度高于铝合金。
1 应用现状
1.1 飞机机身上的应用 1.1.1 飞机机身结构上的应用
先进复合材料用于加工主承力结构和次承力结构，其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。目前被大量地应用在飞机机身结构制造上和小型无人机整体结构制造上。
以典型的第四代战斗机F/A-22为例复合材料占24.2%，其中热固性复合材料占
23.8%，热塑性复合材料占0.4%左右。热固性复合材料的70%左右为双马来酰亚胺树脂(BMI，简称双马)基复合材料，生产200多种复杂零件，其它主要为环氧树脂基复合材料，此外还有氰酸酯和热塑性树脂基复合材料等。主要应用部位为机翼、中机身蒙皮和隔框、尾翼等。近10年来，国内飞机上也较多的使用了复合材料。例如北京航空制造工程研究所研制并生产的QY8911/HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C热塑性树脂单向碳纤维预浸料及其复合材料，具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲劳性能，适合制造飞机主承力构件，可在120℃下长期工作，已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。
1.1.2 飞机隐身上的应用
近几十年来，隐身复合材料的研究取得了长足进展，正朝着“薄、轻、宽(频谱)、强(耐冲击、耐高温)”方向发展。美国最先将隐身材料用在飞机上，用隐身材料最多的是F-117和F-22飞机。F-117的隐身涂层十分复杂，有7种材料之多。
2000年，美空军对F-117的隐身材料进行更新，将原来的7种隐身材料涂层更换为1种，全部F-117将具有通用的维修程序和雷达波吸收材料，技术规程的数量减少大约50%。改进后F-117的每飞行小时维修时间缩短一半以上，全部52架F-117的年维护费用从1450万美元降至690万美元。F-22 不采用全机涂覆吸波涂层的方法，但在机身内外的金属件上全部采用了铁氧体吸波涂层，它是一种有韧性的耐磨涂料，较之F-117的涂料易于喷涂且耐磨。专家预测到本世纪30代，导电高分子电致变色材料、掺杂氧化物半导体材料、纳米复合材料和智能隐身等复合材料将实际用于飞机，它将使飞机的航电系统及控制方式发生根本性的变化。
1.2 航空发动机上的应用 1.2.1 涡轮发动机上的应用
由于具有密度小、比强度高和耐高温等
2
固有特性，复合材料在航空涡轮发动机上应用的范围越来越广且比例越来越大，使航空涡轮发动机向“非金属发动机”或“全复合材料发动机”方向发展。
(1)树脂基复合材料
凭借比强度高，比模量高，耐疲劳与耐腐蚀性好，阻噪能力强的优点，树脂基复合材料在航空发动机冷端部件(风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等)和发动机短舱、反推力装置等部件上得到广泛应用。
(2)碳化硅纤维增强的钛基复合材料 凭借密度小(有的仅为镍基合金的1/2)，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。
(3)陶瓷基复合材料
目前主要的陶瓷基复合材料产品是以SiC或C纤维增强的SiC和SiN基复合材料。凭借密度较小(仅为高温合金的1/3～1/4)，力学性能较高，耐磨性及耐腐蚀性好等优点，陶瓷基复合材料，尤其是纤维增强陶瓷基复合材料，已经开始应用于发动机高温静止部件(如喷嘴、火焰稳定器)，并正在尝试应用于燃烧室火焰筒、涡轮转子叶片、涡轮导流叶片等部件上。
1.2.2 火箭发动机上的应用
由于火箭发动机喷管壁受到高速气流的冲刷，工作条件十分恶劣，因此C/C最早用作其喷管喉衬，并由二维、三向发展到四向及更多向编织。同时火箭发动机设计者多年来一直企图将具有高抗热震的Ct/SiC用于发动机喷管的扩散段，但Ct的体积分数高，易氧化而限制了其广泛应用，随着CVD、CVI技术的发展，新的抗氧化Ct/SiC及C-C/SiC必将找到其用武之地。
目前为解决固体火箭发动机结构承载问题，美国和法国正在进行陶瓷纤维混合碳纤维而编织的多向(6向)基质、以热稳定氧化物为基体填充的陶瓷复合材料。SiC陶瓷制成的喉衬、内衬已进行多次点火试验。今天作为火箭锥体候选材料的有A12O
3、ZrO
2、ThO2等陶瓷，而作为火箭尾喷管和
燃烧室则采用高温结构材料有SiC、石墨、高温陶瓷涂层等。
1.3 卫星和宇航器上的应用
卫星结构的轻型化对卫星功能及运载火箭的要求至关重要，所以对卫星结构的质量要求很严。国际通讯卫星VA中心推力筒用碳纤维复合材料取代铝后减质量23kg(约占30%)，可使有效载荷舱增加450条电话线路，仅此一项盈利就接近卫星的发射费用。美、欧卫星结构质量不到总质量的10%，其原因就是广泛使用了复合材料。目前卫星的微波通讯系统、能源系统(太阳能电池基板、框架)各种支撑结构件等已基本上做到复合材料化。我国在“风云二号气象卫星”及“神舟”系列飞船上均采用了碳/环氧复合材料做主承力构件，大大减轻了整星的质量，降低了发射成本。
2 未来展望
2.1 原材料技术
复合材料发展的基础和前提是原材料技术，主要包括基体和增强体，而其中增强纤维技术尤为重要。高模量和高强度的纤维既能为基体分担大部分外加应力，又可阻碍裂纹的扩展，并且当局部纤维发生断裂时以“拔出功”的形式消耗部分能量，起到提高断裂能并克服脆性的效。目前关于碳纤维的研究主要是提高模量和强度，降低生产成本。使用的纤维先驱体仍然主要是PAN(聚丙烯腈)和沥青纤维，二者所用物质的量比约为6:1。一般来说PAN基碳纤维具有高强度，而沥青基碳纤维具有高模量。但通过控制微观结构缺陷、结晶取向、杂质和改善工艺条件，利用PAN或沥青纤维均可获得高强高模纤维。事实上到目前为止，要稳定生产模量大于700GPa和强度大于5.5GPa的高模高强碳纤维仍然是非常困难的。碳纤维的压缩强度较低，离子注入技术可改善碳纤维的压缩强度，但这种工艺成本很高。
2.2 低成本技术
目前，复合材料的需求量快速增长，而高成本已经成为制约复合材料广泛应用的瓶颈。提高复合材料的性价比，除了在原材
3
料、装配与维护等方面进行研究改进外，更重要的是降低复合材料的制造成本。
低成本制备技术也是低成本技术发展的一个方向。自动铺带技术和自动纤维丝束铺放技术具有高效、低成本的特点，特别适合于大尺寸和复杂构件的制造，减少了拼装零件的数目，节约了制造和装配成本，充分利用了材料，极大地降低了材料的废品率和制造工时。
改进的纤维缠绕和多维编织技术、树脂传递模塑(RTM)和树脂膜熔浸(RFI)工艺及其衍生工艺、新型非热压罐固化工艺以及工艺模拟和智能化技术等也是新兴的复合材料低成本制造技术。目前研究最多最有发展前景的是电子束固化工艺，该工艺的优点是固化温度低、耗能低、模具材质要求不高;固化过程时间短、效率高、环境污染小，并可与RTM、拉挤、缠绕等自动化工艺相结合。
2.3 新型复合材料 2.3.1 超轻材料与结构
格栅增强结构的概念是20世纪70年代由美国麦道公司首先提出，其基本构想是：整个结构由铝合金加强肋与蒙皮组成，加强肋呈正多边形网格分布，整个结构表现出各向同性。这种结构形式刚刚出现，就以较高的可设计性、优越的潜在性能备受关注。
2.3.2 纳米复合材料
纳米复合材料是由2种或2种以上的固相至少在一维以纳米级大小(1-100nm)复合而成的复合材料。纳米复合材料包括纳米颗粒增强复合材料、纳米片层增强复合材料、纳米纤维增强复合材料和碳纳米管增强复合材料等。纳米复合材料已经成为先进复合材料技术的一个新增长点，也是先进复合材料技术研究最活跃的前沿领域之一。纳米复合材料的超常特性使其在航空航天等领域具有广泛的应用前景。
2.3.3 多功能复合材料
随着新一代航空航天器向高超声速方向的发展，苛刻的超高温服役环境对材料及
结构的承载与防热提出了严峻考验，碳/碳(C/C)复合材料是适应这种需求的重要候选材料。C/C复合材料从碳纤维增强相结构可分为碳毡C/C和多向编织C/C复合材料。作为一种新型战略材料，C/C复合材料的国防专用性和强烈的军事背景使其研制和使用具有高度的机密性。碳基防热复合材料主要用于烧蚀防热和热结构，较好地解决了轻质化、抗热震、耐侵蚀等技术难题。除了传统的C/C复合材料以外，近年来，美、俄、法等国家又开发了许多混杂其它材料的新型C/C材料以满足不同的特殊使用要求。例如：在C/C材料中混入Si3N
4、SiC、TiC、TaO、TaC等粉末，以提高C/C材料抗粒子侵蚀性能。更新的弹头鼻锥防热材料是针刺细编织物在穿刺或编织过程中加入改进性能的组分，如耐熔金属丝、耐侵蚀粒子等，这样可大大改进抗粒子侵蚀性能，达到全天候的目的。此外，四向或更多向碳基复合材料也是研制发展的方向，由于采用了交错网络结构和增加了增强方向数，不仅增加了各向同性、提高了抗侵蚀能力，也改进了耐烧蚀性。
3 结语
随着航空航天技术的飞速发展，对材料的要求也越来越高，一个国家新材料的研制与应用水平在很大程度上体现了其国防和科研技术水平，因此许多国家都把新型材料的研制与应用放在科研工作的首要地位。新型航空航天器的先进性标志之一是结构先进性，而先进复合材料是实现结构先进性的重要基础和先导技术。我国将成为世界上先进复合材料的最大用户，却面临着我国技术贮备的严重不足以及国外技术封锁等考验。因此，要实现我国先进复合材料研制和应用的可持续发展，必须坚持自主创新原则，解决原材料问题，低成本技术问题以及材料新型开发问题。
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