0 前言

    材料是社會發(fā)展的物質基礎和先導，而新型材料則是體現(xiàn)社會進步的重要里程碑。新材料技術是支撐當今人類文明的現(xiàn)代工業(yè)關鍵技術，新材料技術一直是各國科技發(fā)展規(guī)劃中一個十分重要的領域，它與能源技術、生物技術、信息技術一起被公認為當今社會及今后相當長時間內總攬人類全局的高科技技術。復合化是新型材料的重要發(fā)展方向，也是新型材料的重要組成部分和最具生命力的分支之一。復合材料已發(fā)展成為與金屬材料、高分子材料、無機非金屬材料并列的四大材料體系之一。今天，一個國家的復合材料工業(yè)水平已經(jīng)成為衡量其科技與經(jīng)濟實力的主要標志之一。先進復合材料是國家安全和國民經(jīng)濟具有競爭優(yōu)勢的源泉。預測到2020年，只有復合材料才具有潛力獲得20-25%的性能提升。

復合材料是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料，它既能保留原有組分材料的主要特色，又通過材料設計使各組分的性能互相補充并彼此關聯(lián)與協(xié)同，從而獲得原組分材料無法比擬的優(yōu)越性能，與一般材料的簡單混合體有本質的區(qū)別。所謂先進復合材料是指用碳纖維等高性能增強相增強的復合材料，對于先進樹脂基復合材料，在綜合性能上與鋁合金相當，但比剛度比強度高于鋁合金。

1 應用現(xiàn)狀

1.1 飛機機身上的應用

1.1.1 飛機機身結構上的應用

    先進復合材料用于加工主承力結構和次承力結構，其剛度和強度性能相當于或超過鋁合金的復合材料。目前被大量地應用在飛機機身結構制造上和小型無人機整體結構制造上。

    以典型的第四代戰(zhàn)斗機F/A-22為例復合材料占24.2%，其中熱固性復合材料占23.8%，熱塑性復合材料占0.4%左右。熱固

性復合材料的70%左右為雙馬來酰亞胺樹脂(BMI，簡稱雙馬)基復合材料，生產(chǎn)200多種復雜零件，其它主要為環(huán)氧樹脂基復合材料，此外還有氰酸酯和熱塑性樹脂基復合材料等。主要應用部位為機翼、中機身蒙皮和隔框、尾翼等。近10年來，國內飛機上也較多的使用了復合材料。例如北京航空制造工程研究所研制并生產(chǎn)的QY8911/HT3雙馬來酰亞胺單向碳纖維預浸料及其復合材料已用于飛機前機身段、垂直尾翼安定面、機翼外翼、阻力板、整流壁板等構件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C熱塑性樹脂單向碳纖維預浸料及其復合材料，具有優(yōu)異的抗斷裂韌性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲勞性能，適合制造飛機主承力構件，可在120℃下長期工作，已用于飛機起落架艙護板前蒙皮。

1.1.2 飛機隱身上的應用

近幾十年來，隱身復合材料的研究取得了長足進展，正朝著“薄、輕、寬(頻譜)、強(耐沖擊、耐高溫)”方向發(fā)展。美國最先將隱身材料用在飛機上，用隱身材料最多的是F-117和F-22飛機。F-117的隱身涂層十分復雜，有7種材料之多。

2000年，美空軍對F-117的隱身材料進行更新，將原來的7種隱身材料涂層更換為1種，全部F-117將具有通用的維修程序和雷達波吸收材料，技術規(guī)程的數(shù)量減少大約50%。改進后F-117的每飛行小時維修時間縮短一半以上，全部52架F-117的年維護費用從1450萬美元降至690萬美元。F-22 不采用全機涂覆吸波涂層的方法，但在機身內外的金屬件上全部采用了鐵氧體吸波涂層，它是一種有韌性的耐磨涂料，較之F-117的涂料易于噴涂且耐磨。專家預測到本世紀30代，導電高分子電致變色材料、摻雜氧化物半導體材料、納米復合材料和智能隱身等復合材料將實際用于飛機，它將使飛機的航電系統(tǒng)及控制方式發(fā)生根本性的變化。

1.2 航空發(fā)動機上的應用

1.2.1 渦輪發(fā)動機上的應用

由于具有密度小、比強度高和耐高溫等固有特性，復合材料在航空渦輪發(fā)動機上應用的范圍越來越廣且比例越來越大，使航空

渦輪發(fā)動機向“非金屬發(fā)動機”或“全復合材料發(fā)動機”方向發(fā)展。

(1)樹脂基復合材料

憑借比強度高，比模量高，耐疲勞與耐腐蝕性好，阻噪能力強的優(yōu)點，樹脂基復合材料在航空發(fā)動機冷端部件(風扇機匣、壓氣機葉片、進氣機匣等)和發(fā)動機短艙、反推力裝置等部件上得到廣泛應用。

(2)碳化硅纖維增強的鈦基復合材料

憑借密度小(有的僅為鎳基合金的1/2)，比剛度和比強度高，耐溫性好等優(yōu)點，碳化硅纖維增強的鈦基復合材料在壓氣機葉片、整體葉環(huán)、盤、軸、機匣、傳動桿等部件上已經(jīng)得到了廣泛應用。

(3)陶瓷基復合材料

目前主要的陶瓷基復合材料產(chǎn)品是以SiC或C纖維增強的SiC和SiN基復合材料。憑借密度較小(僅為高溫合金的1/3～1/4)，力學性能較高，耐磨性及耐腐蝕性好等優(yōu)點，陶瓷基復合材料，尤其是纖維增強陶瓷基復合材料，已經(jīng)開始應用于發(fā)動機高溫靜止部件(如噴嘴、火焰穩(wěn)定器)，并正在嘗試應用于燃燒室火焰筒、渦輪轉子葉片、渦輪導流葉片等部件上。

1.2.2 火箭發(fā)動機上的應用

由于火箭發(fā)動機噴管壁受到高速氣流的沖刷，工作條件十分惡劣，因此C/C最早用作其噴管喉襯，并由二維、三向發(fā)展到四向及更多向編織。同時火箭發(fā)動機設計者多年來一直企圖將具有高抗熱震的Ct/SiC用于發(fā)動機噴管的擴散段，但Ct的體積分數(shù)高，易氧化而限制了其廣泛應用，隨著CVD、CVI技術的發(fā)展，新的抗氧化Ct/SiC及C-C/SiC必將找到其用武之地。

目前為解決固體火箭發(fā)動機結構承載問題，美國和法國正在進行陶瓷纖維混合碳纖維而編織的多向(6向)基質、以熱穩(wěn)定氧化物為基體填充的陶瓷復合材料。SiC陶瓷制成的喉襯、內襯已進行多次點火試驗。今天作為火箭錐體候選材料的有A12O3、ZrO2、ThO2等陶瓷，而作為火箭尾噴管和燃燒室則采用高溫結構材料有SiC、石墨、高溫陶瓷涂層等。

1.3 衛(wèi)星和宇航器上的應用

衛(wèi)星結構的輕型化對衛(wèi)星功能及運載火箭的要求至關重要，所以對衛(wèi)星結構的質量要求很嚴。國際通訊衛(wèi)星VA中心推力筒用碳纖維復合材料取代鋁后減質量23kg(約占30%)，可使有效載荷艙增加450條電話線路，僅此一項盈利就接近衛(wèi)星的發(fā)射費用。美、歐衛(wèi)星結構質量不到總質量的10%，其原因就是廣泛使用了復合材料。目前衛(wèi)星的微波通訊系統(tǒng)、能源系統(tǒng)(太陽能電池基板、框架)各種支撐結構件等已基本上做到復合材料化。我國在“風云二號氣象衛(wèi)星”及“神舟”系列飛船上均采用了碳/環(huán)氧復合材料做主承力構件，大大減輕了整星的質量，降低了發(fā)射成本。

2 未來展望

2.1 原材料技術

    復合材料發(fā)展的基礎和前提是原材料技術，主要包括基體和增強體，而其中增強纖維技術尤為重要。高模量和高強度的纖維既能為基體分擔大部分外加應力，又可阻礙裂紋的擴展，并且當局部纖維發(fā)生斷裂時以“拔出功”的形式消耗部分能量，起到提高斷裂能并克服脆性的效。目前關于碳纖維的研究主要是提高模量和強度，降低生產(chǎn)成本。使用的纖維先驅體仍然主要是PAN（聚丙烯腈）和瀝青纖維，二者所用物質的量比約為6:1。一般來說PAN基碳纖維具有高強度，而瀝青基碳纖維具有高模量。但通過控制微觀結構缺陷、結晶取向、雜質和改善工藝條件，利用PAN或瀝青纖維均可獲得高強高模纖維。事實上到目前為止，要穩(wěn)定生產(chǎn)模量大于700GPa和強度大于5.5GPa的高模高強碳纖維仍然是非常困難的。碳纖維的壓縮強度較低，離子注入技術可改善碳纖維的壓縮強度，但這種工藝成本很高。

2.2 低成本技術

目前，復合材料的需求量快速增長，而高成本已經(jīng)成為制約復合材料廣泛應用的瓶頸。提高復合材料的性價比，除了在原材料、裝配與維護等方面進行研究改進外，更重要的是降低復合材料的制造成本。

低成本制備技術也是低成本技術發(fā)展

的一個方向。自動鋪帶技術和自動纖維絲束鋪放技術具有高效、低成本的特點，特別適合于大尺寸和復雜構件的制造，減少了拼裝零件的數(shù)目，節(jié)約了制造和裝配成本，充分利用了材料，極大地降低了材料的廢品率和制造工時。

改進的纖維纏繞和多維編織技術、樹脂傳遞模塑（RTM）和樹脂膜熔浸（RFI）工藝及其衍生工藝、新型非熱壓罐固化工藝以及工藝模擬和智能化技術等也是新興的復合材料低成本制造技術。目前研究最多最有發(fā)展前景的是電子束固化工藝，該工藝的優(yōu)點是固化溫度低、耗能低、模具材質要求不高；固化過程時間短、效率高、環(huán)境污染小，并可與RTM、拉擠、纏繞等自動化工藝相結合。

2.3 新型復合材料

2.3.1 超輕材料與結構

格柵增強結構的概念是20世紀70年代由美國麥道公司首先提出，其基本構想是：整個結構由鋁合金加強肋與蒙皮組成，加強肋呈正多邊形網(wǎng)格分布，整個結構表現(xiàn)出各向同性。這種結構形式剛剛出現(xiàn)，就以較高的可設計性、優(yōu)越的潛在性能備受關注。

2.3.2 納米復合材料

納米復合材料是由2種或2種以上的固相至少在一維以納米級大?。?/span>1-100nm）復合而成的復合材料。納米復合材料包括納米顆粒增強復合材料、納米片層增強復合材料、納米纖維增強復合材料和碳納米管增強復合材料等。納米復合材料已經(jīng)成為先進復合材料技術的一個新增長點，也是先進復合材料技術研究最活躍的前沿領域之一。納米復合材料的超常特性使其在航空航天等領域具有廣泛的應用前景。

2.3.3 多功能復合材料

隨著新一代航空航天器向高超聲速方向的發(fā)展，苛刻的超高溫服役環(huán)境對材料及結構的承載與防熱提出了嚴峻考驗，碳/碳(C/C)復合材料是適應這種需求的重要候選材料。C/C復合材料從碳纖維增強相結構可分為碳氈C/C和多向編織C/C復合材料。作為一種新型戰(zhàn)略材料，C/C復合材料的國防專用性和強烈的軍事背景使其研制和使用

具有高度的機密性。碳基防熱復合材料主要用于燒蝕防熱和熱結構，較好地解決了輕質化、抗熱震、耐侵蝕等技術難題。除了傳統(tǒng)的C/C復合材料以外，近年來，美、俄、法等國家又開發(fā)了許多混雜其它材料的新型C/C材料以滿足不同的特殊使用要求。例如：在C/C材料中混入Si3N4、SiC、TiC、TaO、TaC等粉末，以提高C/C材料抗粒子侵蝕性能。更新的彈頭鼻錐防熱材料是針刺細編織物在穿刺或編織過程中加入改進性能的組分，如耐熔金屬絲、耐侵蝕粒子等，這樣可大大改進抗粒子侵蝕性能，達到全天候的目的。此外，四向或更多向碳基復合材料也是研制發(fā)展的方向，由于采用了交錯網(wǎng)絡結構和增加了增強方向數(shù)，不僅增加了各向同性、提高了抗侵蝕能力，也改進了耐燒蝕性。

3 結語

隨著航空航天技術的飛速發(fā)展，對材料的要求也越來越高，一個國家新材料的研制與應用水平在很大程度上體現(xiàn)了其國防和科研技術水平，因此許多國家都把新型材料的研制與應用放在科研工作的首要地位。新型航空航天器的先進性標志之一是結構先進性，而先進復合材料是實現(xiàn)結構先進性的重要基礎和先導技術。我國將成為世界上先進復合材料的最大用戶，卻面臨著我國技術貯備的嚴重不足以及國外技術封鎖等考驗。因此，要實現(xiàn)我國先進復合材料研制和應用的可持續(xù)發(fā)展，必須堅持自主創(chuàng)新原則，解決原材料問題，低成本技術問題以及材料新型開發(fā)問題。