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

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