复合材料航空航天

航空航天用复合材料的研究现状、制备方法、原理和运用
摘要：本文主要从复合材料的特点出发，针对在航空工业应用广泛的预形件成形和结构成形各项技术进行了全面系统的介绍。

并对其在航空航天中的应用情况以及发展难点和研发现状作了简要概述。

关键词：复合材料、航空制造、航空运用
0.前言：复合材料（Advabced Composite Materirals ACM)成功地用于航空航天领域
仅有20多年的历史，它具有比强度比模量高，可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能优越以及便于大面积整体成型等显著优点，显示出比传统钢、铝合金结构材料更优越的综合性能，在飞机上已获得大量应用，可实现飞机结构相应减重25%～30%，作为21世纪的主导材料，先进复合材料的用量已成为飞机先进性，乃至航空航天领域先进性的一个重要标志，是世界强国竞相发展的核心技术，也是我国的重点发展领域。

一．复合材料的概述
1.1概念
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
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。

1.2性能
复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。

其特点是比重小、比强度和比模量大。

例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。

石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。

纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。

以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。

碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。

碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。

碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧
蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。

非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。

用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。

1.3成型方法
复合材料的成型方法按基体材料不同各异。

树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。

金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。

前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。

后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等、陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。

二．航空复合材料制造技术
2.1零件成形技术
复合材料零件成形技术是在满足零件外形的情况下，不损伤纤维并确保它们合理地分布在基体中而不产生重大空隙的工艺方法。

目前在飞机机体上采用的复合材料零件成形技术主要有以下几种。

1）树脂转移模塑成形技术（RTM）
树脂转移模塑成形技术是一种低成本复合材料制造方法，最初主要用于飞机次承力结构件，如舱门和检查口盖。

1996年美国防务预研局开展了高强度主承力构件的低成本RTM制造技术研究，从而使中小型复合材料RTM零件获得了较广泛的应用，而大型RTM件也在F-35的垂尾上应用成功。

2）树脂浸渍技术（RFI）
RFI工艺是一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的一种低成本复合材料成形技术。

该技术由于只采用传统的真空袋压成形方法，免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具的加工，在制造出优异的制品的同时大大降低了制品的成本，目前主要应用于飞机雷达天线罩。

该工艺虽然不采用热压罐固化零件，但还需要真空袋系统进行固化，而且工艺温度要求高，所以要求核心材料和工装能够承受高温。

RFI适用于大平面或不太复杂的曲面。

A380的机翼后缘和后压力隔框，波音787机身的大部分隔框，GEnx的风扇机匣都是采用RFI技术制造。

RFI的关键工艺技术包括：预形件成形（三维编织及缝合等技术）、树脂流动模拟及控制、编织及缝合设备研究。

3）纤维缠绕（Filament Winding）
该工艺主要用于空心、圆形及椭圆零件，如管路及油箱。

纤维束通过一个树脂池浸渍后缠绕到芯轴上，缠绕方向和速度由纤维进给装置控制。

这是一项已经发展较为成熟的技术，无论是在自动化、速度、厚度变化、质量和纤维方向上都得到了巨大改进。

它是筒形件的低成本快速制造方法。

在GEnx风扇包容机匣预形件的制造中，采用了一种编织带缠绕技术，即将编织好的石墨纤维带通过滚筒在芯轴上缠绕数十层，制成预形件。

4）自动铺带技术（ATL）
ATL采用有隔离衬纸的单向预浸带，剪裁、定位、铺叠、辊压均采用数控技术自动完成，由自动铺带机实现。

按所铺放构件的几何特征，自动铺带机可分为平面铺带和曲面铺带，系统由台架系统和铺带头组成。

5）自动铺丝技术（AFP）
自动铺丝技术相对较新并在近年格外受到关注。

它兼顾了自动铺叠与纤维缠绕的优点。

能够制造复杂形状结构件，对纤维角度不限制。

而且具有极大减少生产成本的潜力。

2.预形件制造技术
复合材料预形件制造技术主要是增强二维复合材料叠层结构在厚度方向的强度，以提高层间和断裂强度。

1）缝合技术(stitching)
缝合织物增强复合材料是采用高性能纤维和工业用缝合机将多层二维纤维织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材料。

它通过引用贯穿厚度方向的纤维来提高抗分层能力，提高层间强度、模量、抗剪切能力、抗冲击能力、抗疲劳能力等力学性能，从而满足结构件的性能需求。

2）纵向加强技术（Z-pinning）
这是复合材料结构三维加强的一种简单方法，在多个方面优于缝合技术，但不能用于制造预形件。

该工艺是利用薄的销棒以正确的角度在固化前或固化时插入二维的碳纤维环氧复合材料层板中，从而获得三维增强复合材料结构。

3) 三维异形整体机织（weave）
该工艺目前已经广泛用于复合材料工业，作为复合材料的增强体，主要用于生产单层、宽幅织物。

三维异型整体机织技术是国外20世纪80年代发展起来的高新复合材料纺织技术，它创造了一类新的复合材料结构形式。

采用三维异型整体机织技术制造的复合材料制件具有整体性和力学的合理性两大特点，是一种高级纺织复合材料。

4) 编织(braiding)
编织是一种基本的纺织工艺，能够使两条以上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构的
预形件。

这种工艺通常能够制造出复杂形状的预形件，但其尺寸受设备和纱线尺寸的限制。

5)针织(kintting)
针织用于复合材料的增强结构，始于上世纪90年代。

由于它的强度、冲击抗力较机织复合材料好，且针织物的线圈结构有很大的可伸长性，易于制造非承力的复杂形状构件。

6) 经编(non-crimp fabric)
采用经向针织技术与纤维铺放概念相结合制造的多轴多层经向针织织物一般称为经编织物。

这种材料由于不弯曲，因此纤维能以最佳形式排列。

采用经编技术可以制成厚的多层织物且按照期望选择纤维方向，由于不需要铺放更多的层数，极大地提高了经济效益。

3. 层板及蜂窝结构制造技术
纤维增强金属层板（FRML）是由金属薄板和纤维树脂预浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料。

改变金属类型和厚度、纤维树脂预浸料系统、铺贴顺序、纤维方向、金属表面处理和后拉伸度等可改变FRML的性能，以用于不同用途。

现在的FRML主要使用铝合金薄板。

三．复合材料在航空工业上的应用
随着碳纤维和基体树脂性能的不断提高,碳纤维增强树脂基复合材料的耐湿热性和断裂延伸率得到显著改善和提高。

在飞机上的应用已由次承力结构材料发展到主承力结构材料,拓宽了在飞机工业中的应用。

3.1 隐身材料
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。

3.2 民用大飞机复合材料
复合材料在航空制造业的应用趋于广泛,世界上大型飞机如波音787,空客380等机型的结构件复合材料的用量占到了40-50%,先进直升机结构件复合材料用量甚至占到了80%以上，可以说复合材料就是构成空中飞行器的“血肉”。

日本Yokohama橡胶公司[58]开发了一种用于空中客车A380的复合材料部件的环境友好的无粘接剂预浸料。

该预浸料用于飞机机翼整流罩,由碳纤维增韧环氧树脂制成。

A380的机翼构造为蜂窝状内层夹在纤维增韧塑料板材中间。

该预浸料省去了需要使用环境友好,无味的溶剂融解预渍料以便模塑的工艺,应用时只须加热即可融解模塑,同样,只须加热即可固定蜂窝内层,无需粘接剂,这减少了整流罩安装的一个步骤,提高了生产效率。

该公司也成为首家获得为空中客车供应这类材料许可的日本公司。

Nordam Group Inc[59]获得了波音公司的许可,为其供应787大型客机复合材料窗框。

该窗框将采用HexcelCorp的HexMC-一种专门设计用于压缩模塑的高填充环氧片状模塑料,该材料具有高强度,低密度,结实,富于刚性的特点。

该窗框与原先的铝质窗框相比,重量减轻了50%,具有高耐破坏性,这是首次将复合材料窗框用于商业大型客机,也是飞机机身构造的一次创新。

首批产品巳交付波音公司机身合作制造商。

LH-10 Ellipse[60]是一种纵排双座运动型飞机，该飞机全部采用碳纤维/环氧树脂复合材料制成，目前已成套出售。

其飞行速度可达到370km/h, 比其他同类飞机快100-150 km/h。

其特色为在飞机后部装有带螺旋桨推进器的中型发动机和碳纤维主轴。

3.3 国内大飞机复合材料现状
当然与军机相比，民机还可以采用国际采购的方式来弥补技术上的差距，如飞机发动机、部分机载设备、零部件和材料都可以采用这种方式。

但是民机制造中仍有许多东西是用钱买不来的，如飞机的总体设计能力，尤其是集成能力得靠经验上的累积。

又如电传操作，这是核心技术，空客在这个方面已比较成熟，波音777也采用了电传操作技术，其中有些还是光传技术，这种技术人家是不会卖给我们的，只有靠自己研发。

据了解，现在国产化的T300飞机复合材料正在研制之中，可望不久能投入批量生产，以替代目前进口的T300。

在复合材料的制造工艺上，国内的一些主要飞机厂也正在加快更新设备。

如西飞，其应用飞机复合材料的主要设备热压罐原来的最大直径为3.5米，现在准备上直径六米的热压罐。

国内航空产品制造业中少数能够依托自主研发, 引进、消化国际先进技术,实现产品国际取证和销售的生产企业。

哈飞股份与空中客车公司共同在组建合资制造中心, 生产A350XWB宽体飞机项目的复合材料零部件, 正式切入全球飞机制造产业链中.并向空中客车公司成功交付第一架份复合材料机体结构件, 此举不但标志着哈飞股份已成为空中客车公司合格供应商之一，重要的是，在中国自主研发制造的大飞机中，哈飞股份的复合材料必将得到更大规模的运用，公司的复合材料制造面临飞跃，从而使公司的发展空间更加广阔。

航空制造业战略机遇空前。

飞机制造业是巨大的系统工程，是基础科学和制造业企业通力合作的结果，哈飞股份拥有除军机的军械加装和试飞以外的较完整的业务链.几十年生产军、民用直升机，轻型及支线固定翼飞机研制,参与国际航空的转包产品生产都为公司参与到大飞机项目中做好了一定的技术储备。

除生产和销售直9系列, HC120,EC120机身,运12等产品外,另外3个长期投资单位涉及的方向则是民用支线飞机以及中型民航客机的研制生产, 其中安博威公司主要生产销售50座级涡扇ERJ145支线飞机, 该机型采用当代先进的涡轮风扇发动机和集成化航空电子设备, 其安全性,舒适性和各项性能指标不亚于大型干线飞机,目前该系列飞机全球销售量已超过700架, 2006年所签大单生产任务排到2010年。

公司在原有的制造直升机和中型飞机(ERJ145支线飞机)所取得的技术储备和经验是使公司在参与到大飞机项目时更具优势。

3.4 国产大飞机的软肋还是技术问题
技术问题一直是我国发展大型客机的最基本问题。

近年来虽然有些关键技术获得了突破，
但是大型客机的整机研制能力与世界先进水平相比仍是全方位的差距，尤其是波音、空客新的机型大规模采用复合材料后，大型客机的研制能力又一次与世界先进水平拉开了距离。

民机技术储备极少由于历史的原因，我国民机在技术上投入非常少，民机的技术储备更少。

原上航集团党委书记潘继武说，尤其是我国的民机在实践上停滞了很多年后，飞机设计的参数、定值积累极少，民机设计能力相对较弱，在技术上突破需要花费很多力量。

西安飞机工业(集团)有限责任公司(简称西飞)、第一飞机设计研究院、中国飞行试验设计研究院三家曾共同完成了一份资料，对本世纪初我国飞机的研制能力做出了一个详细的评估。

这份资料称，我国飞机设计水平与国际水平相比差距约20年。

在超音速巡航技术、喷管矢量技术、高推重比技术及无人驾驶控制技术等方面都有一定差距，综合设计能力也低，设计实践经验欠缺，设计规范落后。

在飞机制造技术方面，与世界飞机制造加工基地相差10至20年，如数控效率只有波音的1/8。

3.5 复合材料之惑
更让人焦虑的是，随着近年来复合材料在飞机上的大量应用，我国民机研制的能力有进一步与世界先进水平拉开的危险。

飞机上的复合材料主要是指碳纤维的复合材料。

以前国际上的大型客机采用的材料都是以先进铝合金为主，飞机的设计、制造都建立在这种材料基础上。

以波音777为例，其机体结构中，铝合金占到70%、钢11%、钛7%，复合材料仅占到11%，而且复合材料主要用于飞机辅件。

但到波音787时，复合材料的使用出现了质的飞跃，不仅数量激增，而且开始用于飞机的主要受力件，现在波音787的复合材料用量已占到结构重量的50%。

飞机结构件大规模使用复合材料，是现代飞机制造史上的一次革命性变化。

它使飞机重量更轻、强度更高、耐疲劳耐腐蚀性更好，而且复合材料中的高强度碳纤维进行大规模工业化生产后，可以使飞机的制造成本更低。

同时在计算机技术、激光、C扫描等先进科技的支持下，复合材料制造飞机结构件的质量能够更加可靠地保证飞机的安全性。

根据波音和空客公开的研究资料表明，到2020年它们的飞机将全部采用复合材料。

而我国目前仅掌握金属飞机的研制能力，复合材料只能少量地用在飞机辅件上，在主结构上的应用还需要进一步预研。

这就好比是空客、波音已经能用钢筋水泥造房子，而我国仅掌握全套的用“秦砖汉瓦”造房子的办法，现在才开始学着使用钢筋水泥。

更要命的是，用于飞机的复合材料我国现在还需要进口，尤其是像T800这样广泛应用的飞机复合材料我国还不会生产。

艰难的追赶
我国进行大型客机的研制，面临的技术困难是巨大的。

在日趋激烈的航空市场上，没有技术领先、具有竞争力的飞机，即使生产出来了，也无法占据市场。

在波音和空客用复合材料飞机替代金属飞机的大背景下，我国要研制大型客机，只有迎头赶上，生产出与之抗衡的飞机才行，这需要广大技术人员付出更多的努力。

目前国内的飞机专家都已认识到了这个问题，一批专家已提前进行飞机的预研。

据中国航
空工业第一集团公司科技委副主任冯培德透露，现在已有上亿元的经费投入到预研中，其中就包括材料。

“冰冻三尺，非一日之寒”，我国民机技术全方位地落后于欧美国家，是由于多方面的因素造成的，其中主要有三个：一是由于我国民机的型号研制频度太低，无法有效积累大量数据；二是由于民机生产至今还没有相关的研究所，民机直到现在还没有转向研究开发型；三是我国科技转化生产力水平较低，与欧美航空工业相比，我国航空企业还没有成为真正的科技转化生产力的主体，科技转化生产力体制机制的最佳模式还没形成。

3.6 结语
我国现在开始抓飞机复合材料的预研，当然有利于缩小与世界先进水平的差距。

但是从长远来看，要从根本上解决我国民机技术上的差距，还得从解决我国民机技术长期落后的三个原因做起，即要加大民机研制的频度、成立专门的民机研究所、建立科技转化生产力体制机制的航空工业最佳模式。

高性能树脂基体及其改性是我门树脂行业的责任和义务。

努力做好这方面的研发和产业化才能使我们从一个生产消费大国变成真正的生产消费强国。

参考文献：
冯小明，张崇才.复合材料.重庆大学出版社.2007.09
任晓华.航空复合材料制造技术发展.中国航空工业发展研究中心.2010.04 吴良义.航空航天先进复合材料现状.天津市合成材料工业研究所.2009。