空天动力复合材料技术未来如何发展？

张承双，张光喜，张启伟，徐 雨

(1.西安航天复合材料研究所，西安 710025；2.陕西省航天复合材料重点实验室，西安 710025)

聚焦空天动力复合材料，共同探讨如何推动复合材料先进结构设计的发展和实现更高水平、更高成熟度的空天动力领域复合材料应用，这是2022年8月在辽宁大连召开的“空天动力复合材料及应用专业委员会2022年度学术会议”包括中国科学院、工程院院士在内的近200名专家学者研讨的主题。

1 行业专家纵谈复合材料技术前沿

复合材料技术前沿方面，特邀主旨报告反映了我国在纤维、基体和涂料等方面的研究成果，值得关注。

烯碳纤维作为国家战略新兴材料，在导电塑料、轻质高强复合材料、宽频段轻质电磁屏蔽、冲击防护、智能材料、电子器件等方面具有广泛的应用。北京大学张锦院士作了“烯碳纤维的控制制备与应用探索”的特邀报告，详细介绍了烯碳材料(主要包括碳纳米管和石墨烯)的可控制备思想，重点面向航空航天、国防军事、能源、生物等领域对轻质高强高性能纤维提出的特殊结构和功能需求，提出了高力学性能及结构功能一体化烯碳纤维的制备方法，揭示了烯碳纤维中烯碳材料结构单元的组装结构调控及性能传递规律，探索了其在防弹、防护和人工肌肉中的应用前景。

航空、航天等诸多高科技领域轻质高强耐高温的高性能工程塑料需求迫切，但是由于国产传统塑料耐高温性差的缺陷，导致其无法满足应用要求。因此，迫切需要创新研发综合性能优异的新型耐高温高分子材料，并开展相应的加工、应用研究。大连理工大学蹇锡高院士团队在高性能工程塑料、高性能树脂基复合材料、耐高温特种绝缘材料等领域取得了诸多创新型成果，蹇院士会上详细介绍了新型杂环高性能工程塑料及其加工应用研发方面的系列成果。该团队在国际上首次提出了全芳环非共平面扭曲的分子链结构可赋予聚合物既耐高温又可溶解的优异综合性能的学术思想，成功研制了含二氮杂萘酮联苯结构二酐、二胺、二酸等系列聚合物新单体，开发出新型聚芳酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚芳酯等系列高性能树脂，形成了独具特色的高性能聚合物体系，研究成果在航空、航天、核工业、船舶、交通、石油化工等高技术领域得到了广泛应用，有力推动了我国高性能复合材料技术发展与进步。

西安电子科技大学周益春教授作了“脆性陶瓷涂层的铁弹增韧机制”的学术报告，重点介绍了其团队对于畴及其与韧性关联的认识、铁弹畴及畴变行为的精细表征、变形与裂纹尖端畴变的理论分析以及铁弹畴增韧机制，提出了铁弹畴是脆性陶瓷韧性设计与调控的重要方向，阐明了铁弹畴形核与翻转都可诱导涂层增韧的机理，揭示了增韧的本质源于纳米尺度畴的应变梯度效应，明确了畴的尺寸是调控宏观韧性的关键参数等结论，这些成果对于促进陶瓷涂层技术发展具有重要的指导意义。

2 学术会议交流航天动力应用进展

航空、航天是当今世界最具挑战性和广泛带动性的高技术领域，空天飞行器等高端装备的快速发展对先进复合材料与结构提出了日益迫切的技术要求。

作为需求方，北京跟踪与通信技术研究所杨灿总师详细介绍了空间飞行器的应用类型及趋势、空间飞行器对复合材料的应用需求及应用路径，提出未来空间飞行器用先进复合材料发展方向是更低成本、更长寿命和更多功能。杨灿总师在“先进复合材料在空间飞行器中的应用需求”特邀报告最后，建议面向未来空间飞行器的结构和功能需求，研发耐磨性更高、空间适应性更好的润滑材料和密封材料，结构强度更高、疲劳性更好的结构材料，能量密度更高、服役寿命更长的储能材料，更好的抗空间或热辐射/热吸收/隔热材料等新材料。

作为应用方，张承双研究员代表西安航天复合材料研究所作了“高性能热塑性复合材料原位成型关键技术”的学术报告，重点面向新一代大型运载火箭对固体发动机壳体和液体火箭贮箱提出的结构/防热一体化、抗损伤以及快速高精度制造等技术需求，详细介绍了高性能热塑性复合材料原位成型技术原理及国内外发展趋势，提出了面向工程应用的原位成型铺放单元设计及控制系统开发、热塑性复合材料原位成型过程建模与仿真、热塑性复合材料原位成型过程在线监测等技术发展建议，该项研究工作对于加快推进国内先进复合材料制造技术在高端装备领域的示范应用具有重要影响。

从参会作者交流论文可见，我国复合材料应用方面近年取得长足进步，特别表现在如下几方面：

(1)数字化建模与仿真技术应用日益广泛

通过建立聚合物分子结构模型，对复合材料成型工艺过程进行数字化仿真分析，不断完善复合材料性能数据库，能够更加准确地实现复合材料原材料筛选、工艺设计、质量控制及性能检测，使复合材料研发成本不断降低。

(2)智能材料与结构发展迅速

采用新型磁性纤维作为传感元件，研究热塑性聚合物的分子链运动行为和具有自修复功能的Vitrimers等树脂的结构变化，分析材料的固化过程及失效行为，揭示材料的应变、电阻和热物理性能等参数随温度的变化规律，能够实现复合材料与结构的自诊断及自修复。

(3)极端环境材料引发广泛关注

针对超高温、极低温、强辐射等极端环境服役要求，开展耐低温空间复合材料、耐超高温硅基外防热涂料以及含苯撑结构的抗辐射聚合物材料研究，引发广泛关注。

此次会议还设置了5个分会场，共有56篇学术报告进行了现场交流。其中，空天复合材料结构设计与仿真分会场11篇、复合材料基础原材料分会场12篇、复合材料加工与装配分会场11篇、复合材料性能表征与测试分会场11篇、先进复合材料成型工艺与装备分会场11篇。这些学术报告分别从不同维度集中展示了近年来我国航天、航空等领域专家学者和工程技术人员在先进复合材料设计、制造和应用等方面取得的最新成果，对于推动我国空天动力复合材料基础研究和工程应用技术发展都具有十分重大的意义。