先进复合材料在航空航天领域的应用

先进复合材料在航空航天领域的应用

作者：周庆庆

来源：《科技风》2017年第17期

摘要：复合材料是在随着科技发展所衍生出的一种新型材料，尤其是先进复合材料目前已经被广泛应用到了航空航天领域，并发挥着至关重要的作用价值。本文简要介绍了先进复合材料的特性，而后重点就先进复合材料在航空发动机、无人机等航空领域，以及导弹结构、运载火箭结构、卫星和宇航器结构等航天领域中的具体应用展开了深入的探究工作。

关键词：先进复合材料；航空航天；应用

伴随着当前科技水平的不断提高，尤其是航空航天领域的快速发展，材料的应用环境愈发恶劣，对于材料本身也提出了更为严苛的要求。新型材料的研发是为了更好的满足于高新技术发展的需求，其中复合材料是目前在材料科学领域中的一个主要发展方向，同时也是新材料发展最好的一个分支，随着复合材料的快速发展，其目前已经成为了与高分子材料金属材料、无机非金属材料所并列的四大材料体系之一。

一、复合材料的特性

先进复合材料有着十分明显的优势特性，具体可概括为结构整体化、经济效益最大化、可设计性以及功能多样性，现具体分析如下：

（1）结构整体化。先进复合材料能够被加工为整体部件，也就是应用先进复合材料部件来取代金属部件。在一些较为特殊的轮廓及表层比较复杂的部件当中，利用金属制造往往可行性相对较差，而应用先进复合材料往往便可有效满足于实际的工作需求。

（2）经济效益最大化。将先进复合材料应用于航空航天领域内，可实现对产品数量的大幅度精减。因对复杂部件的连接往往无需采取焊接、铆接等方式，因而对于连接部件的需求量也便可以大大减少，进而使得材料的装配成本与时间也能够有效降低，从而实现经济效益的最大化。

（3）可设计性。应用纤维、树脂、复合结构等方式可得到多种性能、形状存在明显差异化的复合材料，选取出适当的材料及铺层次序便可加工出没有膨胀系数的复合材料，同时其尺寸稳定性也要明显优于一般的金属材料。

（4）功能多样性。随着先进复合材料材料的不断发展，其不断融合了许多优异的物理性能、化学性能、生物性能、力学性能等。如先进复合材料所具备的阻燃性能、吸波性能、防热性能、屏蔽性能、半导性能及超导性能，而且各类先进复合材料其本身的构成也不尽相同，在功能方面也会产生出一定的差异性，目前综合性及多功能性现已成为先进复合材料发展的一项主流趋势。

二、先进复合材料在航空航天领域中的应用

（一）航空领域

1.航空发动机中的应用

在航空发动机的结构设计中，高性能系统对于材料本身在轻型化与耐高温方面有着更加严苛的要求。新型材料与工艺技术的快速发展是为了服务于新一代航空发动机的发展要求，特别是先进复合材料的应用在航空发动机中已经得到了大规模的应用，如将陶瓷基复合材料应用与发动机的空气流动通道中，便可促使发动机的高温区域仅需少部分甚至无需冷却气体，从而也便可促使涡轮扇发动机的重量大大降低，发动机的运转效率也将达到更大水平，相应的发动机性能、耐久能力、燃油经济性等也便能够得到大幅度的提升。

2.无人机中的应用

在未来的航空领域发展过程中，无人机将是至关重要的一个发展方向，无人机的主流发展趋势便是飞行高度更高、时间更长、隐身效果更好，要想提高无人机制造效率、较小制造成本，复合材料的应用便是其中至关重要的一项技术手段。例如在无人机的尾翼部位采用石墨/环氧复合材料，相较于传统的铝合金混合结构其重量可减小60%以上。此外，设计人员应用复合材料还能够实现传统金属材料所难以企及的空气动力学设计，如超声速飞行的前掠翼飞机。

（二）航天领域

1.导弹结构材料

应用碳纤维/环氧复合材料所制成的导弹结构相较于铝结构其重量将降低40%以上。目前在导弹发射筒的制造上许多发达国家也开始采用先进的复合材料，如美国的“MX”导弹，俄罗斯的“白杨M”导弹等。由于采用先进复合材料所制造出的导弹发射筒通过大幅度降低自身重量后能够显著提升导弹的灵活性。目前我国在这一方面也开展了相关的研究工作，并研发出了应用先进复合材料所制造的仪器舱，能够显著提升战略导弹的灵活性与机动性，有着十分优异的应用效果。

2.运载火箭结构材料

一些发达国家早在上世纪50年代便开始采用纤维缠绕成型的玻璃钢壳体来取代以往所采用的钢壳。应用这一材料能够减轻超过50%以上的结构自重，在这一基础上，美国紧接着又研发了“MX”三级发动机壳体，其采用了芳纶/环氧复合材料，此种结构形式的壳体重量相较于纤维缠绕成型的玻璃钢壳体其重量又可进一步降低50%左右。在先进复合材料的快速发展过程中，将之应用于运载火箭发动机壳体当中的优势价值愈发突出。当前我国在运载火箭发动机壳体制造方面也开始逐渐采用先进复合材料，现已能够将芳纶/环氧材料以及玻璃纤维/环氧复合

材料成功应用于运载火箭的发动机壳体之内。在运载火箭结构设计方面充分应用以先进复合材料，可实现对运载火箭发动机重量的大幅度减小，促进其发动机性能的显著提升。

3.卫星和宇航器结构材料

卫星结构质量将会直接影响到卫星本身的功能特性，针对卫星结构采取轻型化设计现已成为卫星结构发展的一个主流趋势。对通讯卫星的推力桶应用先进复合材料制造，其重量相较于传统的铝结构可减小30%左右，所减小的终了可新增450条以上的电话线，并且还能够大幅度降低卫星发射费用，有着极高的经济性价值。

三、结语

总而言之，在历经了几十年的发展后当前我国的先进复合材料工业已形成了一个相对较为完备的体系，而且部分复合材料也已被广泛的应用到了航空航天器的生产当中，并取得了十分优异的应用效果。然而，就从目前的整体现状来看我国在先进复合材料方面技术水平与发达国家仍存在着不小的差距。因此，我国还应在此方面不断加大研究力度，积极借鉴、汲取国外的先进经验与技术，以促进我国航空航天器性能的全面提升。

参考文献：

[1]唐见茂.航空航天复合材料发展现状及前景[J].航天器环境工程，2013，30（4）.

[2]马保全，周正干.航空航天复合材料结构非接触无损检测技术的进展及发展趋势[J].航空学报，2014，35（7）.

[3]孙虎，周丽.基于分形维数的复合材料结构损伤成像[J].仪器仪表学报，2013，34（2）.

作者简介：周庆庆（1987），四川双流人，硕士，助教，研究方向：材料成型及控制工程。