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航空航天复合材料发展现状及前景

发布时间：2022-11-10 13:14:36 来源：文档文库

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航３５２　天器环境工程　ＳＰＡＣＥＣＲＡＦＴ　ＥＮＶＩＲ０ＮＭＥＮＴ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　第３０卷第４期　２０１３年８月　航空航天复合材料发展现状及前景　唐见茂　（中国材料研究学会，北京１０００４８）　摘要：文章通过空客Ａ一３５０ＸＷＢ飞机和波音公司Ｂ．７８７飞机复合材料之战的实际案例，介绍了航空航天应　用复合材料，特别是碳纤维增强树脂基复合材料（ＣＦＲＰ）的发展现状、特点以及航空航天复合材料结构一体化　综合等新技术，并对未来发展前景进行讨论。　关键词：航空航天应用；先进复合材料；碳纤维；一体化智能结构；综述　中图分类号：ＴＢ３３４：Ｖ２５８　．３　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３—１３７９（２０１３）０４—０３５２—０８　ＤｏＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７３—１３７９．２０１３．０４．００３　碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径　复合化是当代材料技术发展的重要趋势之一，　而大量采用高性能复合材料是航空航天飞行器发　展的重要方向。其中在民用飞机领域，应用发展非　常迅速。２０１３年６月１４日，空客研制的新型超宽　体Ａ．３５０　ＸＷＢ客机成功首飞，这是继波音的Ｂ．７８７　范围在６～８岬，是２０世纪６０年代由美国首先开　发并形成规模产业的一种具有全新概念的新材料。　目前用在复合材料中的碳纤维主要有聚丙烯腈基　碳纤维和沥青基碳纤维两大类，前者是用一种高分　子合成纤维＿＿聚丙烯腈纤维的原丝，或称之为前　驱体（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ），通过专门而又复杂的碳化工艺　制备而得。由于高温碳化，使纤维中的氢、氧等元　“梦想”飞机之后，全球航空业界的又一个亮点。　Ａ一３５０　ＸＷＢ和Ｂ一７８７飞机的复合材料用量分别达　到５２％和５０％，这标志着航空航天复合材料发展　新的里程碑，表明新的发展时期已经拉开序幕。　在航天领域，高性能复合材料的用量也在迅速　扩大，各种航天飞行器的重要结构件（如运载火箭　和导弹壳体，航天飞机与宇宙飞船部件，卫星天线，　天文望远镜等）正在越来越多地采用复合材料…。　复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异　构的材料通过专门成型工艺复合而成的一种高性　能的新材料体系，复合的目的是要改善材料的性　能，或使材料能满足某种特殊的物理性能（如光、　电、热、声、磁等）要求。复合材料按使用要求大　致分为结构复合材料和功能复合材料，在航空航天　素得以排出，成为一种含碳量高于９０％的纯碳材　料，而本身质量大为减小；而且由于碳化过程中对　纤维进行沿轴向的预拉伸处理，使得碳分子沿轴向　进行取向排列，大幅提高了碳纤维的轴向拉伸强　度，成为一种轻质、高强、高模量、化学性能稳定　的高性能纤维材料。　沥青基碳纤维的制备原理与聚丙烯腈基碳纤　维的大致相同，沥青基碳纤维还可以继续进行石墨　化处理，使碳含量超过９８％，因而具有更高的弹性　模量。用它制造的复合材料，具有非常高的尺寸稳　定性，例如卫星的复合材料太阳能电池板及反射天　线，在太空数百摄氏度的高低温温差下，仍能保持　领域，目前和今后２０￣３０年的发展主流是用于制　造空天飞行器结构件的碳纤维增强树脂基复合材　料（简称ＣＦＲＰ），在此基础上发展结构／功能一体　化和智能化结构复合材料，以满足越来越先进的空　天飞行器的要求　Ｊ。　尺寸基本不变。　ＣＦＲＰ最大的优点是轻质、高强，航空航天高　端应用仍是其主要发展方向，用ＣＦＲＰ制造飞机的　结构件，同铝合金相比，减重效果可达２０％￣４０％，　体现出巨大的节能效益。现在ＣＦＲＰ应用已迅速扩　收稿日期：２０１３—０７．０９；修回日期：２０１３—０７．２９　基金项目：中国工程院重大咨询项目“材料延寿与可持续发展战略研究”（编号：ＺＤ２０）　作者简介：唐见茂（１９４４一），男，教授级高级工程师，从事ｃＦＲＰ研发３Ｏ多年，中国材料研究学会常务理事、咨询部主任　兼咨询专家，参与我国新材料产业化规划定位研究及有关政府职能部门的决策咨询服务。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｕｎｒｏｎｇ０６２５＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。　
第４期　唐见茂：航空航天复合材料发展现状及前景　３５３　大到能源、交通、海洋、机械等领域。业内专家分　材料开始应用于机翼、机身等主要的承力结构，军　机结构的复合材料化进程加速，复合材料用量不断　增加（见表１），现在复合材料的用量已经占军用飞　析，未来２０￣３０年，航空复合材料将迎来新的发展　时期，ＣＦＲＰ的大范围应用，将带来航空产业链革　命性的变革，包括设计理念的创新、设计师的知识　更新和设计团组的重组，航空产品供应链的战略性　改变，以及对航空维修业提出前所未有的挑战　Ｊ。　机结构质量的２０％￣５０％。有些飞机在发动机结构　上也采用了复合材料，这些复合材料采用耐高温树　脂（聚酰亚胺）制造，工作温度可达２５０￣３５０℃，　用作发动机冷端部件，主要是在发动机的外涵道机　从材料技术的发展来看，有人认为，２０世纪　是硅材料的世纪，而２１世纪将是碳材料的世纪，　匣、风扇静子叶片、转子叶片、包容机匣以及发动　机短舱、反推力装置等部件上得到应用ｌ２４】。　此外，军用旋翼机的螺旋桨及机体结构也大量　使用复合材料，如Ｖ－２２“鱼鹰”倾转旋翼机所用　复合材料占结构质量的４０％以上，包括机身、机翼、　尾翼、旋转机构等，共用复合材料超过３０００　ｋｇ。　欧洲最新批次的“虎”式武装直升机结构部件的复　合材料用量高达８０％，接近全复材结构。相对而言，　军用运输机上复合材料用量不多，如Ｃ一１７占８％、　Ｃ．１３０Ｊ仅占２％，但空客Ａ４００Ｍ军用运输机上采　其中碳纤维及其复合材料占有重要一席。　１航空应用　１．１　军机应用　２０世纪６Ｏ年代，美国首先将ＣＦＲＰ用在军机　上，用于舱门、口盖、整流罩以及副翼、方向舵等　受力较小或非承力部件。８Ｏ年代初，发展到垂尾、　平尾等尾翼一级的次承力部件，如Ｆ一１５、Ｆ．１６、　Ｆ．１８、幻影２０００和幻影４０００等均采用了复合材料　尾翼，此时复合材料用量有限。到８０年代末，美　用全复合材料机翼，复合材料用量占飞机空载时结　构质量的３５％　Ｊ。　国推出的第四代战斗机Ｆ一２２、Ｆ．３５ＪＳＦ上，复合　表１几种军用飞机ＣＦＲＰ应用情况　Ｔａｂｌｅ　１　ＣＦＲＰ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ａｉｒｃｒａｆｔ　机种　国别　用量／％　应用部位　首飞年份　阵风（Ｒａｆａｌｅ）　ＪＡＳ一３９　Ｆ一２２　台风（ＥＦ．２０００）　法国　瑞典　美国　英／德／意／西　３０　３Ｏ　２５　４０　垂尾、机翼、机身结构　机翼、垂尾、前翼、舱门等　机翼、前中机身、垂尾、平尾及大轴　机翼、前中机身、垂尾、前翼　１９８６　ｌ９８８　１９９０　１９９４　Ｆ一３５　美国　３５　机翼、机身、垂尾、平尾、进气道　２０００　现代战争理念的改变，使无人机倍受青睐。无　人机除在情报、监视、侦察等信息化作战中的特殊　作用外，还能在突防、核战、化学和生物武器战争　中发挥有人军机无法替代的作用。无人机的发展方　向是飞行更高、更远、更长，隐身性能更好，制造　更加简便快捷，成本更低等，其中关键技术之一就　是大量采用复合材料，超轻超大复合材料结构技术　是提高其续航能力、生存能力、可靠性和有效载荷　能力的关键　Ｊ。　１．２民机应用　Ｆｉｇ．１　ＣＦＲＰ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ｂｏｅｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｉｒｂｕｓ　相对于军机，民机的安全可靠性要求更高。而　复合材料作为一种新型结构材料，在对材料特性认　全球两家航空巨头——美国波音公司和欧洲空　客公司多年形成的竞争似乎愈演愈烈，其中一个重　要表现就是复合材料的用量不断增加（图１）。　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。复合材料在军机上的应用从起步到主结构件　
３５４　航天器环境工程　第３０卷　的应用，也就是１０多年；而在民机上的应用从２０　世纪８０年代开始到大范围的应用，经历了３０多年。　随着复合材料技术的深入研究和应用实践的　积累，复合材料在民机结构上的应用近年来取得较　大进展。复合材料的优点不仅仅是轻质，而且给设　计带来创新，通过合理设计，还可提供诸如抗疲劳、　抗振、耐腐蚀、耐久性和吸／透波等其他传统材料　无法实现的优异功能特性，增加未来发展的潜力和　空间。尤其与铝合金等传统材料相比，复合材料可　明显减少使用维护要求，降低寿命周期成本，特别　是当飞机进入老龄化阶段后差别更明显。同时，大　部分复合材料飞机构件可以整体成型，大幅度减少　零件数目和紧固件数目，从而减小结构质量，降低　连接和装配成本，并有效降低总成本。　民用飞机结构复合材料的使用量上限约为　６０％。２０１　ｌ一２０２０年，通用航空领域可望增加　１２４００架飞机，公务机市场将新增１３　６００架。新飞　机上的复合材料质量占比约为５４％，公务机中占　６８％左右。随着民机对碳纤维复合材料的需求不断　增长，未来２０－－３０年航空复合材料将进入新的发　展时期。　１．３　Ａ一３５０ＸＷＢ和Ｂ．７８７的复合材料之战　空客最近完成首飞的Ａ．３５０ＸＷＢ超大型宽体　客机，包括机身在内的复合材料用量达５２％，这是　对波音Ｂ．７８７“梦想”飞机的５０％复合材料用量的　回应。　波音推出Ｂ一７８７，旨在挽回自２０世纪８０年代　中期以来与空客竞争的失利，“出奇制胜”推出复　合材料机身的方案，实现波音重振雄风的梦想。　为了生产第一架全复合材料的飞机机身，波音　采用了类似于Ｒａｙｔｈｅｏｎ所应用的纤维铺设方法。　生产出一个长７ｍ、宽约６ｍ的复合材料机身部件，　这一构件是在一个巨大的旋转芯模上采用自动纤　维铺放（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｆｉｂｅｒ　Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ＡＦＰ）技术生　产出来的。芯模上预制有与长桁、大梁的外形和尺　寸一致的槽，将预成型的长桁与梁（均由碳纤维预　浸料铺设和加压同化而成）在缠绕前预先放在槽　内，工作时芯模随心轴在设备上转动，使纤维连续　地缠绕到芯模上，形成机身壳，并留出窗口位置，　再将机身壳与梁、长桁一同送入热压罐固化，得到　个整体的复合材料机身段，最后卸模取出成品　（图２）【　。　■　（ａ）缠绕成型的机身壳　（ｂ）机身段内部共凼化的桁、梁　图２　Ｂ一７８７复合材料机身段　Ｆｉｇ．２　ＣＦＲＰ　ｆｕｓｅｌａｇｅ　ｓｅｃｔｏｒ　ｏｆ　Ｂ一７８７　Ｂ一７８７复合材料机身段不仅是世界上最大的缠　绕机身部件，而且被认为是用碳纤维制造出的最大　的压力容器。复合材料极高的拉伸／环向强度使它　能承受更高的客舱内部压力，使得舱内的压力保持　在海拔６０００英尺（１８３０　ｍ）高度时的气压，而不　是通常的７０００￣９０００英尺，乘员会感觉更加舒适。　复合材料抗腐蚀（金属机身的最大弱点是易被腐　蚀），机舱内湿度可以恒定在ｌ０％～ｌ５％（金属机　身内湿度只能保持在５％－－ｌ０％之间），这也同样增　加了乘员的舒适度。Ｂ一７８７的推出成为近几年民用　航空领域最热门的话题。　复合材料影响力如此之大，迫使空客改弦易辙，　彻底重新设计Ａ．３５０。新飞机改名为Ａ一３５０　ＸＷＢ，　ＸＷＢ意为超宽机身，并采用复合材料，使原计划　４０％的复合材料用量提升到５２％。Ａ一３５０ＸＷＢ的机　体比Ｂ一７８７还宽１３　ｃｍ，在高密度下可以每排布置　９座，而Ｂ一７８７每排最多只能布置８座。Ａ一３５０ＸＷＢ　也将把座舱压力设在相当于６０００英尺的高度，采　用增大的机窗和先进的机上电子娱乐系统，更体现　出人性化。　民机复合材料机身可被认为是复合材料发展　的一个里程碑，不仅使复合材料用量跨越式提升，　而且对设计、制造和维修提出新的挑战。空客之前　曾对Ｂ．７８７略有微词，提到全复合材料机身的安全　问题。现在自己面对同样问题时，空客决定不套波　音的老路，而是另辟蹊径，对Ａ．３５０ＸＷＢ复合材　料机身提出了一个所谓“４个蒙皮壳板”的创新概　念（４一ｓｈｅｌｌ　ｓｋｉｎ　ｐａｎｅｌ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｆｏｒ　ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　ｆｕｓｅｌａｇｅ），如图３（ａ）所示　Ｊ。不同于Ｂ．７８７的全复　合材料机身，这种创新型的机身采用铝合金框架，　

３５６　航天器环境工程　第３０卷　度功能复合材料是新近研发的一种热防护材料，成　为倍受关注的研究热　Ｊ。　与均匀功能复合材料不同，梯度功能复合材料　ＯｏｌＯ８ａ６６６ＩＯＯｏｏＯ　ｏ６ｌｏ　的主要特征一是材料的组分和结构呈连续梯度变　◆◆◆◆◆◆◆●◆　．◆．◆．◆．◆　化；二是材料内部没有明显的界面；三是材料的性　，◆－◆－◆－◆。　质也相应呈连续梯度变化（图５）。　●◆●◆●◆●Ｏ　◆●◆●◆●◆●　●◆●◆●◆●◆　◎ｌ耐热程廑　◆●◆●◆●◆●　②热传导宰　●◆●◆●◆●●　Ｏ●◆●◆●◆●　●◆●◆●◆●◆　（ａ）梯度功能复合材料　（ｂ）均匀功能复合材料　图５两种功能复合材料比较　Ｆｉｇ．５　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　梯度功能复合材料的设计思想是高温侧壁采用　耐热性好的陶瓷材料，以适应几千摄氏度高温气体　的环境。低温侧壁使用导热和强度好的金属材料，　与飞行器表面连接。由于该材料内部不存在明显的　界面，陶瓷和金属的组分呈连续变化，物性参数也　呈连续变化。材料从陶瓷过渡到金属的过程中，其　耐热性逐渐降低，机械强度逐渐升高，热应力在材　料两端均很小，可有效地保护飞行器表面【１Ⅲ。　３航空航天复合材料未来发展　３．１材料新技术　３．１．１　碳纤维　碳纤维是复合材料中的重要组分材料，分宇航　级和工业级，其中宇航级是重要的战略物资。其发　展特点总的来说是高性能化和多元化。高强度是碳　纤维不断追求的目标之一，以国际上最大的ＰＡＮ　基碳纤维供应商曰本东丽（Ｔｏｒａｙ）为例，自１９７１　年Ｔ３００（强度３５３５　ＭＰａ）进入市场以来，碳纤维　的拉伸强度得到很大提高，经过了Ｔ７００和Ｔ８００到　Ｔ１０００三个阶段，Ｔ１０００的拉伸强度已达６３７０ＭＰａ，　Ｔ８００是目前民机复合材料生产的主流纤维。　根据不同的使用要求，发展相应的产品。如东　丽碳纤维目前分三大类：　１）高拉伸强度（ＨＴ）纤维，具有相对较低的　杨氏模量（２００￣２８０　ＧＰａ）。　２）中模（ＩＭ）纤维，杨氏模量３００　ＧＰａ。　３）高模（ＨＭ）纤维，杨氏模量超过３５０ＧＰａ。　碳纤维另一个重要发展特点是大丝束产品。大　丝束是碳纤维产品多元化的一个重要方面，主要目　的是加快纤维铺放速率，从而提高复合材料生产效　率，降低制造成本。这方面的研究内容主要是制取　廉价原丝技术（包括大丝束化、化学改性、用其他　纤维材料取代聚丙烯腈纤维）、等离子预氧化技术、　微波碳化和石墨化技术等。　碳纤维按用途大致可分２４　Ｋ以下的宇航级小　丝束碳纤维（１　Ｋ的含义为一条碳纤维丝束含１０００　根单丝）和４８　Ｋ以上的工业级大丝束碳纤维。目　前小丝束碳纤维基本为日本Ｔｏｒａｙ（东丽）、Ｔｅｎａｘ　（东邦）与Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ　Ｒａｙｏｎ（三菱人造丝）所垄　断。而大丝束碳纤维主要生产国是美国、德国与日　本，产量大约是小丝束碳纤维的３３％左右，最大支　数发展到４８０　Ｋ。工业级大丝束碳纤维可有效降低　复合材料成本，但随之带来的是树脂浸润不够充分　和均匀性方面的问题［１１－１２］。　３．１．２基体　基体是复合材料另一个主要组分材料，包括金　属基体、陶瓷基体和树脂基体，主流是树脂基体。　目前作为轻质高效结构材料应用的高性能树脂基体　主要有三大类，即：１５０　ｏＣ以下长期使用的环氧树　脂基体，１５０￣２２０℃长期使用的双马来酰亚胺树脂　基体，２５０℃以上使用的聚酰亚胺树脂基体ｌｌ引。　环氧基体用量最多，具有综合性能优异、工艺　性好、价格低等诸多优点，在马赫数小于１．５的军　机和民机上得到广泛应用。双马基体主要用在马赫　数大于等于１．５的高性能战斗机上。聚酰亚胺基体　主要用于发动机叶片和冷端部件。　环氧基体由于固化后的分子交联密度高、内应　力大，存在质脆、耐疲劳性差、抗冲击韧性差等缺　点。对于航空结构复合材料，环氧树脂的增韧改性　直是重要的研究课题，双马基体也有类似问题。　几十年来，增韧改性技术取得长足发展，包括橡胶　弹性体增韧、热致液晶聚合物增韧、热塑性树脂互　穿网络增韧以及纳米粒子增韧等＿ｌ引，新的品种不断　得到开发，使用经验在不断积累，环氧复合材料技　

３５８　航天器环境工程　第３０卷　前景。重视发展热塑性复合材料，是先进树脂基复　合材料今后发展的一个重要方面，目前主要在民机　上应用开发。空客在这方面处于领先位置，已从次　承力结构件向主承力结构件发展，如空客Ａ．３８０　就采用了玻璃纤维增强的ＰＰＳ热塑性复合材料制　造机翼前沿＿Ｊ　。　３．５环境问题已引起重视　碳纤维制品多用于特殊领域，其使用寿命和更　新周期均有严格要求，大量废弃的碳纤维产品所导　致的二次污染问题亟待处理。据日本三菱人造丝公　司估计，目前全球废弃的碳纤维增强塑料大约为　１万吨，２０１５年可达２万吨。随着碳纤维生产能力　的扩大及增强材料的大量使用，“环境友好”要求　企业重视碳纤维的回收利用。德国Ｔｈｕｄｎｇｉａｎ　（ＴＩＴＫ）研究所、英国诺丁汉大学等采用化学和　热解处理技术开发了碳纤维一环氧树脂复合材料回　收再利用的新途径，其回收产品可用于一般的碳纤　维增强塑料。波音公司、日本东丽公司、帝人公司　等都已制定相关计划，研究从飞机和其他设备中回　收和循环利用使用过的碳纤维１］引。　４结束语　２１世纪航空航天将进入新的发展时期，高水　平或超高水平的航空航天活动将更加频繁，民用航　空市场将迅速扩大，这将有力地带动航空航天材料　特别是复合材料的发展。半个多世纪以来，复合材　料技术己趋成熟，经验在不断积累。由于复合材料　具有轻质、高强、性能可剪裁等诸多优点，在航空　航天领域仍具有持续发展的潜力。美国科学院在　２００３年《面向２１世纪国防需求的材料》研究报告　中指出，在未来２０￣３０年中，唯一能使飞行器性　能提升２０％￣２５％的只有复合材料。　当前和今后一段较长的时期内，航空航天复合　材料的发展将呈现以下特点：　１）需求将持续上升，其中通用航空将成为复合　材料的主要市场，以Ｂ一７８７／Ａ一３８０／Ａ．３５０ｘｗＢ为代　表的新机种对碳纤维复合材料的需求将大幅增长。　在未来的１０年间，通用飞机可望增加１２　４００架左　右，新飞机的复合材料质量占比最高可达５４％，航　空复合材料将进入新的发展时期。　２）技术不断进步，新技术不断得到开发利用。　以低成本为主导的理念对相关技术的创新将产生　巨大推动，包括纤维和基体在内的新材料技术、高　效自动化整体构件成型技术（ＡＦＰ和ＡＴＬ）、数字　化成型技术等，各种型号、规格的自动化成型设备　不断得到研发，大幅提高生产效率和降低成本。　３）为满足高性能航空航天器的发展，新概念的　复合材料技术将不断得到研发，如纳米复合材料技　术、高功能和多功能、结构／功能一体化、智能化结　构等，将成为复合材料的重要研究内容。　４）可持续发展将倍受重视。如碳纤维复合材　料的回收和再利用、新型绿色复合材料的开发和应　用等，将会加快研究进程，取得实质性进展。　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）　［１］　杜善义．先进复合材料与航空航天［Ｊ］．复合材料学报，　２００７，２４（１）：１—１２　Ｄｕ　Ｓｈａｎｙｉ．Ａｄｖａｎｃｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ａｅｒｏｓｐａｃｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］．Ａｃｔａ　Ｍａｔｅｒｉａｅ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔａｅ　Ｓｉｎｉ２４ｆ１）：１－１２　［