复合材料在航空航天领域中的应用探究

刘伟 田治坤 楚天舒 刘波

摘 要：复合材料由于具有高强、轻质、性能可设计及稳定的化学性质等特点在航空航天领域应用十分广泛。本文首先对复合材料进行概述，然后着重介绍了复合材料的特性及研究进展，以及其在军机、民机和航天领域的应用情况。

关键词：航空航天；复合材料；应用研究

中图分类号：TB33 文献标识码：A

随着国内外航空、航天产业的迅猛发展，对航空、航天用材料的使用性能要求也越来越高，单一的材料已经很难完全满足其对材料综合性能的要求，材料复合化成为新材料的重要发展方向，目前已经发展成为继金属材料、无机非金属材料、高分子材料后的第四大材料体系[ 1 ]。

复合材料是一种最具生命力的材料分支，它是新型材料的重要组成部分，随着航空航天工业的发展，复合材料的用量已经成为飞机先进性评判的依据之一。在我国刚发布的《十三五国家科技创新规划》中也多次提到了复合材料，它仍然是我国材料界的重点攻克方向。

1 复合材料概述

复合材料是指在基体中通过添加纤维、织物、晶须等高性能增强材料，经过特殊的材料复合工艺后，形成具有高比强度、高比模量、比重小及性能可设计等特点的新型材料。通常可以用树脂、金属与陶瓷等材料为基体，从宏观或者微观等不同的结构层次，将基体与增强体在空间复合形成复杂的新材料組合。由于复合材料是基体跟增强体通过特殊的材料复合工艺而成，其性能是其他普通材料所不能比拟的；同时由于其性能可设计，我们可以给它赋予防热、吸波等特殊功能，拓宽了它的使用范围。目前复合材料已经成为卫星、火箭、飞机、飞船等航空航天领域中的主流材料。

2 复合材料的特点及研究进展

复合材料根据基体的不同，可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料。

2.1 树脂基复合材料

树脂基复合材料是指在树脂基体中通过添加高性能的连续纤维增强材料，经过特殊的材料复合工艺制备而成。经常使用的纤维增强材料主要有碳纤维和其他高性能有机纤维，尤其碳纤维应用最为广泛，环氧树脂基碳纤维复合材料是其典型的代表。为了使树脂基复合材料的使用性能进一步提高，目前，科研人员在环氧（EP）的基础上，开发出了双马来亚胺（BMI）基和耐高温聚酰亚胺（PI）基等复合材料。

2.2 金属基复合材料

金属基复合材料是指在铝、镁、钛等轻质金属中通过添加纤维、颗粒及晶须形式的高强第二相经复合而成。目前发展较为成熟的要数铝、镁、钛基。增强体中以SiC的使用量占首位，远高于其它复合材料，排名第二的则是Al2O3。金属基复合材料作为先进航空航天承力部件的候选材料，主要用于制造飞机结构组件、推进系统组件和辅助系统组件及太空飞船中间机身的主框架、翼肋、前起落架等。

2.3 陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料主要是指以陶瓷为基体，通过添加各类纤维增强材料复合制备而成。它具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等一系列优异性能。目前连续纤维增强陶瓷基复合材料是一个主要的发展方向，由于它具有高强度、高韧性等特点，尤其是它具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式，这在世界各国引起了极大的关注。

航天航空、国防等领域已经开始广泛应用连续纤维增强陶瓷基复合材料，陶瓷基复合材料已经成为未来航天航空科技发展的关键支撑材料之一。

2.4 碳基复合材料

碳基复合材料是一种以碳纤维（织物）或碳化硅等陶瓷纤维（织物）为增强体，以碳为基体的复合材料的总称。它兼有碳的惰性和碳纤维的高强度，具有热膨胀系数小、热导率较低、抗热冲击性能好、耐烧蚀性好和耐含固体微粒燃气的冲刷等一系列的优异性能，而且其质轻，比强度和比弹性模量都很高，更重要的是这种材料在惰性环境下随着温度的升高（可达2200℃）其强度不降低，甚至比室温条件下还高，这些都是其他材料无法比拟的。目前，它在国内外已被公认为是高级载人飞行器鼻锥和固体火箭发动机喷管等关键部位最理想的耐烧蚀、防热材料。它在工程应用也日趋成熟，已用于美国民兵Ⅲ洲际导弹弹头，火箭发动机喷管，卫星，飞船等尖端科技领域。

3 复合材料在航空航天领域的应用

3.1 复合材料在军机领域的应用

为了满足新一代军机对材料高性能的要求，尤其在超音速巡航及隐身等方面，各国加大了复合材料的研究力度，希望占领先进复合材料领域的制高点，获得军事应用与产业发展的先机。目前，复合材料所使用的比例越来越大。

2013年服役的A400M新一代大型军用运输机中先进复合材料占结构重量的35%～40%[ 2 ]，美国第4代歼击机F-22，其树脂基复合材料用量达25%，中国自主研发的歼-20战机碳纤维复合材料用量高达30%，法德合作研制的虎式武装直升机，复合材料在其机身结构材料中的用量达到45%；美国RAH-66轻型侦察攻击直升机，复合材料在其机身结构材料中高达51%左右。先进复合材料的使用，不仅满足了军机对材料的各种特殊要求，而且降低了制造成本，还改进军机的综合作战性能。

3.2 复合材料在民机领域的应用

民用飞机与军用飞机在使用性能上存有本质不同，民用飞机主要的职能是载客，因而更重视飞机的安全和舒适性[ 3 ]。而复合材料作为一种新型结构材料，在对材料特性认识、保证工艺稳定的措施和有关试验数据尚不十分充分的情况下，其发展经历了较谨慎而又漫长的历程。

目前民用飞机结构也正在一步一步地走向材料复合化，成为制造飞机的首选材料，在飞机结构中已高达50%以上[ 4 ]。复合材料在客机上的具体应用情况见表1。

3.3 先进复合材料在航天领域的应用

以高性能碳（石墨）纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。

碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上，如我国神州系列飞船、风云二号气象卫星，俄罗斯“白杨M”导弹、美国“MX”导弹的发射筒[ 5 ]，美国三叉戟-2导弹、日本M-5火箭的发动机壳体均采用了复合材料[ 6 ]。

4 结语

21世纪航空航天将进入新的发展时期，高水平的航空航天活动将更加频繁，而复合材料是未来发展我国航空航天工程最有前途的材料。面对如此机遇，我国材料科研人员应借鉴国外的先进技术和经验，同时进行自主研发和创新，重点突破先进复合材料的关键技术，为我国航空航天领域的全面、高速发展提供必要的物质保证。

参考文献：

[1] 朱晋生，王卓，欧峰.先进复合材料在航空航天领域的应用[J].新技术新工艺，2012（9）：76-78.

[2] 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的应用技术和市场预测[J].化工新型材料，2012，40（1）：4-7.

[3] 胡亦安.航空航天复合材料发展现状及前景探究[J].科技创新，2016（34）：67-68.

[4] 徐逸豪.国外航空材料技术的应用现状研究[J].技术与市场，2016，23（11）：130-131.

[5] 汤旭，李征，等.先进复合材料在航空航天领域的应用[J].中国高新技术企业，2016（13）：39-42.

[6] 唐见茂.航空航天复合材料发展现状及前景[J].航空器环境工程，2013，30（4）：352-354.

作者简介：

刘伟（1989-），男，湖南衡阳人，硕士，助教，主要从事航空材料和复合材料的研究。