先进复合材料的应用扩展航空、航天和民用航空先进复合材料应用技术和市场预测

１．４直升机
直升机采用复合材料不仅可减重，且对于改善直升机抗 坠毁性能意义重大，因而复合材料在直升机结构中应用更广、 用量更大，不仅机身结构，而且由桨叶和桨毂组成的升力系 统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。Ｈ３６０、孓７５、ＢＫ－ １１７和Ｖ－２２等直升机均大量采用了复合材料，如顷转旋翼飞 机ｖ－２２用复合材料近３０００ｋｇ，占结构总重的４５％左右，法德 合作研制的“虎”式武装直升机，复合材料用量更高达７７％。
ｒｅｓｉｎ，ｒｅｓｉｎ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ
２０世纪７０年代后期相继开发了一批如碳纤维、碳化硅纤 维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性 能增强材料，并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先
碳纤维应用份额见表１。 表ｌ 美国、日本、中国及世界碳纤维主要用途 份额比较
１．１
１９８６年设计的Ｃ－１７是上世纪先进大型军用运输机的典 型代表．限于当时的水平，复合材料主要用于次要结构，如雷 达罩、整流罩、操纵面、口盖、翼梢小翼蒙皮等。复合材料重约 ７２５８ｋ，占该机结构蘑量８．１％。树脂基复合材料从非承力结 构发展到次承力构件。在复合材料中碳纤维增强复合材料约 占结构霞量６％。玻璃纤维蠼Ｊ料、ＫｅｖＩａｒ纤维增强材料占２％。
进复合材料（Ａｄｖａｎ＿ｃｅｄ∞ｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，简称ＡＣＭ）。这
种先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能，是用 于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。 ＡＣＭ的发展方向可以用“７化”来概括，即碳纤维低成本 规模化；玻璃纤维高性化；高性能纤维杂混改性化；ＡＣＭ应用 领域扩展化；高性能树脂杂混改性化；结构设计实用化和制造 装备现代化。 碳纤维在各工业领域的应用量及其份额是工业技术水平 和先进技术民用化的标志之一，美国、日本、中国和世界整体 表２碳纤维在各相关领域应用量份额 未来５年中国碳纤维在各应用领域的用量、份额及其增 长率变化见表２、表３［“。
客公司正在进行一项更为“大胆”的重要计划一研制全碳纤维
复合材料机翼，并已制造出６．２ｍ的翼盒验证件。Ａ４００Ｍ的 Ｔ型尾翼设计为加强结构，并大量采用复合材料，碳纤维复合 材料占结构重量比例高达９７％～９８％。垂尾主要由１个三粱 主盒段、１个可拆卸的前缘、后缘隔板和一块方向舵组成，垂直 尾翼的根部与后机身上一个机械加工的平直翼面连接。除了 垂尾前缘和铰链，所有这些结构部件主要由复合材料制造。 垂尾前缘是金属／复合材料的复合型部件，可改善抗冲击和防 腐蚀性能，在垂尾翼尖装有预警保障措施短舱。方向舵是带 铝合金铰链连接肋的碳纤维加强型结构，由两台液压伺眼作 动筒和一台电动马达驱动。Ａ４００Ｍ的垂尾面积较大，有着非 常不错的航向稳定性。水平尾翼为铝合金中央结构翼盒和两 个复合材料的外侧盒段结构，中央盒段为水平尾翼与垂直安 定面的连接提供安装固定结构。水平尾翼两侧各有一块升降 舵，其主结构也采用了碳纤维复合材料。 Ａ４００Ｍ运输机所用环氧基体碳纤维复合材其主要用于 翼梁、纵梁、机翼箱型梁、升降舵蒙皮、气动舵面、机翼蒙皮、桁 条以及中央翼盒与外翼盒接头的某些部件。
用，相当于Ｔ３００／聚酰亚胺ＰＭＲ＿１５性能的复合材料已研制 成功，一批高性能的热塑性树脂基复合材料，如ＰＥＥＫ、 ＰＥＣＫ、ＰＰＳ等正在从实验室走向实用。据介绍，先进复合材 料构件正在由次承力件向主承力件过渡。在成型工艺方面， 先进复合材料借助玻璃钢成型技术逐步实现由手糊到机械化 自动化的转变。但总的水平与国外先进技术还有一定距离。 高性能聚合物基复合材料在航空航天工业的用量占其全 部用量的８０％。国内外先进复合材料在航空航天领域的应用 情况见表４。
作者简介：吴良义（１９４７一），男，教授级高级工程师，研究方向：反应固化型树脂应用研究与信息分析研究。
万方数据
第１期
吴良义：先进复合材料的应用扩展：航空、航天和民用航空先进复合材料应用技术和市场预测
表３碳纤维在各相关领域应用黄和增长率
－５・
单位：ｔ，％
环氧树脂。如美国“三叉戟一１”、“三叉戟一２”导弹以及“飞马座” 火箭采用的ＨＢＲＦ－５５Ａ配方就以Ｅ－Ｐ（）Ｎ８２６为主。多年来各 国都在通过加入柔性单元改进环氧树脂的韧性，通过加入新 型刚性链单元结构或使用芴型芳香胺固化剂来提高耐热性， 并分别取得了预期的效果［２’４］。 ｌ
１．２美国第四代战斗机Ｆ＿２２［‘］
为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的 要求。进入９０年代后，西方的战斗机无一例外的大量采用复 合材料结构．用量一般都在２５％以上，有的甚至达到３５％，结
１．６巡航导弹和固体火箭发动机ｍ】
在火箭和导弹上使用碳复合材料减重效果十分显著。因 此，采用碳纤维复合材料将大大减轻火箭和导弹的惰性重量。
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既减轻发射重量又可节省发射费用或携带更重的弹头或增加 有效射程和落点精度。 利用纤维缠绕工艺制造的环氧基固体发动机罩耐腐蚀、 耐高温、耐辐射、且密度小、刚性好、强度高、尺寸稳定。再如 导弹弹头采用了环氧基及环氧酚醛基纤维增强材料。 在树脂基复合材料中，环氧树脂（ＥＰ）是巡航导弹弹体结 构所用复合材料中最主要的基体材料，在所有树脂基复合材 料结构中所占的比例高达９０％。但随着飞行速度的提高，超 声速巡航导弹研究的日益深入，目前树脂基复合材料的研究 重点已由环氧树脂向ＢＭｌ、聚酰亚胺（ＰＩ）树脂、氰酸酯树脂转 移。Ｂｒｙｔｅ公司最近开发了一系列氰酸酯树脂基体，玻璃化转 变温度达３３５℃．短时工作温度达３００℃，可以代替ＢＭＩ和聚 酰亚胺，氰酸酯树脂已成为未来结构／功能一体化的有力候选 材料，可以作为超声速巡航导弹复合材料舵面和弹体通常选 用的树脂。 耐高温树脂基复合材料是超声速巡航导弹弹体结构的主 选材料，以ＢＭＩ、ＰＩ树脂为主。目前国内的ＰＩ树脂存在着性 能不稳定、工艺操作性差等诸多问题，难以成型大尺寸、复杂 型面的复合材料结构，不宜作为超声速巡航导弹主体结构树 脂。从美国雷锡恩导弹系统公司的经验来看，在近ｌｏ年期间 将把高温树脂基复合材料基体的研究集中于ＢＭｌ．取代以往 研究的ＰＩ，充分利用ＢＭｌ的可加工性、低成本、易操作性。 ＢＭｌ树脂的耐温性能能达到３００℃左右，完全可以满足低马赫 数（≤２Ｍａ）超声速巡航导弹弹体结构的需求。 耐高温有机树脂基透波复合材料体系中，美国研制开发 的Ｐｌ树脂和聚苯并咪唑（ＰＢＩ）树脂及俄罗斯研制的改性酚醛 树脂都具有良好的透波性能和工艺性能，已在宽频天线罩 （ＨＡＲＭ、ＡＬＡＲＭ、ＫＰ＿１）上获得应用，使用温度达到６００℃。
ｎｅｘｔ
ｍｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ
ｔｈｅ
ａｒｅａｓ
ｏｆ
ａｅｍｎａｕｔｉｃｓ，ａｓｔｒｏｍｕｔｉｃｓ
ｆｉｖｅ ｙｅａｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ
ｏｆ ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｓｉｍｐｌｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ
ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ，ａｄｖａｎｃｅｄ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ啪ｔｅｒｉａｌｓ，ｅｐｏｘｙ
１．３无人战斗机
国外目前研制的无人机以复合材料和传统铝合金的混合 结构为主。如“捕食者”“全球鹰”等均是如此。其中“全球鹰” 的机翼和尾翼由石墨／环氧复合材料制造，而机身仍采用传统 铝合金，复合材料占结构重量的６５％。 无人战斗机是未来航空武器的一个重点发展方向。为满 足采购政策、隐身性能、机动性、生存力对材料的特殊需求，为 尽可能地降低结构重量、提高燃油装载量，无人战斗机结构的 一个显著特点就是大量应用复合材料。以波音公司的Ⅺ４５Ａ 为例，除机身的龙骨、梁和隔框采用高速切削铝合金外，其余 的机体结构都是由复合材料制成。诺斯罗普・格鲁门公司的 ｘ－４７Ａ的机体除一些接头采用铝合金外，整个机体几乎全部 采用了复合材料。
构减重效率达３０％。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。如美 国第４代战斗机Ｆ＿２２复合材料用量已达到２４％，而ＥＦ２０００ 更高达４３％，ＥＦ２０００除鸭翼外，机身、机翼、腹鳍、方向舵都采 用复合材料，结构“湿润”表面的７０％为复合材料。阵风也是 如此，７０％的“湿润”表面为复合材料，约９４７ｋｇ之重。Ｆ＿３５的 复合材料几乎覆盖了整个飞机外表面。
Ａ４ＩｌＩｌＭ运输机Ｌ５Ｊ
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化工新型材料
第４０卷
欧洲ＥＡＤＳ正在研究的Ａ４００Ｍ属于新一代大型军用运 输机，在材料应用技术上有了一个新的飞跃，主要表现为先进 复合材料占结构重量的３５％～４０％。与Ｃ＿１７不同的是，在 Ａ４００Ｍ上，碳纤维复合材料用于一些主承力结构，而Ｃ－１７的 复合材料结构重量比仅为８％，且主要用于操纵面及次要结 构。Ａ４００Ｍ的机身仍由传统的铝合金制成，但却开创了采用 碳纤维复合材料制造大型运输机机翼的先河，机翼长达１９ｍ， 令业界颇为瞩目。 在Ａ４００Ｍ运输机上，特别值得提出的是复合材料机翼， 碳纤维复合材料占机翼结构重量比例高达８５％，开创了使用 复合材料为主要材料制造大型运输机机翼的先例。采用碳纤 维制造的机翼，重量是同等强度铝合金机翼的７５％至８０％， 并且不会产生金属疲劳，先进复合材料的广泛应用对于减轻 结构重量相当有利。在Ａ４００Ｍ的复合材料设计和制造中，广 泛采用了计算机辅助设计软件，如土耳其航空航天工业公司 就使用美国维斯特吉公司的Ｆｉｂｅｒ ＳｌＭ软件来进行设计。土 耳其航空航天工业公司作为空客Ａ４００Ｍ项目的签约合作方， 在ＣＡＴＩＡＶ ５ＣＡＤ模拟环境中利用该软件为Ａ４００Ｍ运输机 设计了副翼及扰流片等气动控制面。 Ａ４００Ｍ的机翼除前缘、前后缘支承结构及铰链采用铝合 金外，其气动舵面、机翼蒙皮、桁条以及中央翼盒与外翼盒接 头的某些部件也均为复合材料。但为了确保强度安全， Ａ４００Ｍ机翼与机身的接头采用钛合金制造并用螺栓以双钩 环固定，以保证在断裂时有双余度保险。该机翼蒙皮与加强 筋组成一体固定在碳纤维复合材料翼梁上，翼肋仍采用铝合 金制造。因其主要受压应力，此时用复合材料与用铝合金并 无大的不同。除机翼外，Ａ４００Ｍ的尾部货舱门、起落架舱门、 整流罩以及螺旋桨也采用高强度复合材料来制造。目前，空
ｌ－５航天飞机
以ＮＡＳＡ开发的第２代可重复使用航天飞机为例，油箱 内衬为复合材料。在推进系统中将采用陶瓷基复合材料发射 斜轨、金属基复合材料机匣以及树脂基复合材料涵道。此外 还将采用复合材料电子设备舱。第３代可重复使用航天飞机 将为一智能结构，具有自适应热防护系统及智能化无损检测 装置。自愈合的飞机结构及表面。发动机材料将可能使用经 冷却的复合材料、金属基复合材料加力燃烧室壳体、超高温复 合材料。结构材料将包括超高温树脂基复合材料、低成本耐 腐蚀热防护系统复合材料液氧油箱。 美国高超声速飞行器ｘ＿４３是由超燃冲压发动机作动力 装置的验证机。其油箱／机身由石墨／环氧框架及蒙皮组成。 蒙皮外再覆以热防护系统。飞机上翼面热防护层为可剪裁的 先进绝缘毡，下翼面为内多层屏蔽绝缘物。后者是正处于开 发中的防热材料。由Ｃ／ｓｉＣ外面板，中介陶瓷屏以及先进聚酰 亚胺泡沫内衬。中介陶瓷屏覆以贵金属以降低其热辐射。机 翼及垂尾由钛基复合材料制成，并有１个由二硼化锆制成的 前缘。
航空航天先进复合材料国外现状
先进复合材料的研究应用主要集中于国防工业。高性能
树脂基复合材料，主要是碳纤维和芳纶纤维增强环氧树脂，多 官能团环氧树脂和ＢＭｌ。复合材料性能稳定，已大量投入应
表４国内外先进复合材料在航空航天领域的应用
鉴于４，４’一二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺（ＴＧＤＩ）Ｍ）的性 价比，该材料可能是最实用的高性能环氧树脂。ＴＧＤＩ）Ｍ具 有优良的耐热性。长时高温性能和机械强度保持率，固化收缩 低，化学和辐射稳定性好，还可用于高性能结构胶粘剂，结构 层压板和耐高能辐射材料。
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｌｉａｎｇｙｉ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ
ＭHale Waihona Puke Baiduｔｅｒｉａｌ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２２０）
Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｍａｒｋｅｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｐｏＸｙ ａｄｖａｎｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ａｎｄ ｃｉｖｉｌ ａｖｉａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｉｎｔｍｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｐｌａｎｓ ｉｎ ｔｈｅ
ＡＣＭ的典型代表是环氧树脂基碳纤维复合材料，经过多 年使用验证，环氧树脂基体以其综合性能优异、工艺性良好、 价格低等诸多优点，在马赫数１．５以下飞机上的用量远远大
于双马来酰胺树脂基体（ＢＭｌ），以Ａ４００Ｍ、波音７８７飞机为 例，复合材料分别占飞机结构重量的３６％和５０％，其中，复合 材料结构居主导地位的一直是刚性双酚Ａ二缩水甘油醚型
行了规划目标介绍。 关键词碳纤维，先进复合材料，环氧树脂，树脂基复合材料，改性
Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｘｔｅｎｄ ｏｆ ａｄＶａｎｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ：Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｍａｒｋｅｔｓ ｏｆ ＡＣＩⅥａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ ｃｉＶｉｌ ａＶｉａｔｉｏｎ Ｗｕ （Ｔｉａｎｊｉｎ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ
Ｖ０１．４０ Ｎｏ．１ ・４。
化工新型材料 ＮＥＷ ＣＨＥＭＩＣＡＩ。ＭＡＴＥＲｌＡＩＳ
第４０卷第１期 ２０１２年１月
先进复合材料的应用扩展： 航空、航天和民用航空先进复合材料应用技术和市场预测
吴良义 （天津市合成材料工业研究所，天津３００２２０）
摘要介绍了环氧树脂基体先进复合材料在航空航天和民用航空的应用技术最新进展，并对十二五期间的市场进