先进树脂基复合材料技术发展及应用现状

先进树脂基复合材料技术发展及应用现状

高原

（航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨150060）

摘要：先进树脂基复合材料是由有机高分子基体材料与高性能纤维增强材料经过特殊成型工艺复合而成的具有２相或２相以上结构的材料，具有性能可设计、高比强度和比刚度、疲劳性能好、耐腐蚀、可整体成型和多功能一体化等优点。

关键词：先进树脂基；复合材料技术发展；应用现状；

一、先进树脂基复合材料技术发展

1.树脂基复合材料继续向高性能化发展。树脂基结构复合材料通过提高强度、韧性、抗损伤容限和耐温性能等以实现结构承载能力、耐环境性能和抗冲击性能的提高，持续向高性能化发展。为适应超高声速飞行器发展的要求，为了进一步提高树脂基复合材料的使用温度，开展了第４代耐温４５０℃有机无机杂化聚酰亚胺复合材料树脂基体研究，初步获得了玻璃化转变温度高达４８９℃，可在４２５℃以上长期使用的第４代有机无机杂化Ｐ２ＳＩ９００ＨＴ聚酰亚胺复合材料。树脂基复合材料的成本一直是制约其在民用领域规模化应用的主要原因之一。随着低成本碳纤维技术的发展和液体成型、缠绕成型和自动铺放成型等高效工艺技术的应用，先进树脂基复合材料的成本将不断降低，结构复合材料产业也已跨越到由应用不断扩张带动成本持续降低的新阶段。先进树脂基复合材料不仅在航空航天领域应用比例大幅度提高，还向能源、交通、工程建筑和体育休闲等民用领域快速渗透和规模扩张。民用工业领域已经逐渐发展为先进树脂基结构复合材料产业的主导力量。

2.结构功能一体化树脂基复合材料呈现多功能化和尖端化趋势。结构吸波复合材料通过引入新的吸波机制，进一步改善低频吸波性能、使用温度和力学性能。基于“超材料”结构的吸波复合材料明显拓展了宽频吸收特性，基于“超材料”结构的透波复合材料将彻底改变目前雷达天线罩的设计思路，实现多频透波和透波／吸波一体化，以及通过相关致热和传热机制研究，改善耐大功率密度性能和耐高温性能，以满足大功率发射的要求。结构抗弹树脂基复合材料将采用碳纤维和聚苯基苯并双噁唑纤维作为主要增强材料，进一步提高部件的刚性、防护性能和力学性能以及发展复合材料车体、炮塔等大型部件的整体制造技术。以酚醛树脂为基体的防热复合材料将向低密度材料系列拓展，通过降低材料密度提高防热效率，同时提高树脂基防热复合材料强度和防热结构可靠性。

3.基于多尺度建模和表征的复合材料设计技术迎来极其重要的发展机遇。基于分子链段、键角和复杂分子结构组装力场建立的分子结构模型的复杂性，目前的计算能力使分子动力学模拟受到尺度和原子数的限制。然而，随着计算能力的持续快速增强，可以想象这种复杂分子结构的建模在将来是可能的。计算材料建模存在一个极其重要的发展机遇，不仅可指导新的聚合物的合成，而且可进行复合材料结构失效的超高精度预测。计算材料方法能够提供在周期载荷作用下失效过程与材料、几何结构及加载条件关系的统计行为基础。在建立了聚合物基体的物理化学性能和复合材料结构性能直接关系之后，计算材料方法能够用于发展新型的聚合物以满足未来更先进机体结构的要求，以及用于通过计算分析进行复合材料结构认证，从而大幅度减少认证实验的规模。

4.多功能化成为未来碳纳米复合材料发展的重要目标。碳纳米管和石墨烯具有优异的力学性能、导电和导热性能等，与聚合物基体复合应该能够明显改

善包括力学性能在内的碳纳米复合材料的性能。然而早期的实验结果和预期并非一致。首先，在合成过程中随着物理尺寸的增长，碳纳米管和石墨烯的性能难以稳定。其次，高体积分数比的碳纳米管和石墨烯加入会极大增加混合和悬浮流体的黏度，因此只有极少量的碳纳米管能够加入到聚合物基体中。到目前为止，碳纳米树脂基复合材料的力学性能没有明显的提高，但导电性能明显改善，使聚合物从绝缘体转变为导体。未来碳纳米复合材料的真正目标应该是多功能。在高紧凑电子系统内的热管理和电子器件电磁屏蔽中使用导电纳米功能复合材料是非常有益的。

二、应用现状

1.先进树脂基复合材料技术在航空工业的应用。先进树脂基复合材料在应用过程中不断积累应用经验,提高技术水平,完善配套技术,从非承力构件整流蒙皮逐渐发展到承力构件尾翼、机翼,从简单结构层合壁板,逐渐发展到整体复合材料结构尾翼和机翼。空客公司大型客机应用先进腊荃复合材料的历程。先进树脂基复合材料在飞机上的应用可以实现15%~30%减重,可有效降低飞机的结构重量,提高飞机的机动性能和有效载荷等。飞机结构复合材料化已经成为趋势,先进树脂基复合材料已经成为不可缺少的关键航空结构材料。从上世纪90年代开始,先进战斗机大量使用先进树脂基复合材料,如F-22飞机复合材料的用量达到约25%,F-35复合材料用量达到35%,主要应用包括机翼、机身、尾翼等主要承力构件。先进树脂基复合材料在民用飞机的应用从2003年用量得到了跨越发展,空客公司的A380宽体客机复合材料的用量增加到24%,波音公司的B787飞机复合材料用量达到约50%,空客公司在研的A350XWB复合材料用量将达到52%。随着国内先进树脂基复合材料性能的提高,制造技术的不断成熟,配套无损检测和装配等技术的完善,国内先进树脂基复合材料在直升机、歼击机和大型飞机得到相当的应用。歼击机复合材料的用量已经达到6%~9%,主要包括机翼、平尾、垂尾、前机身、鸭翼、襟副翼、腹鳍等;直升机复合材料用量达到25%~33%，主要包括旋翼系统和机身结构。先进树脂基复合材料机翼、平尾、垂尾、鸭翼、直升机机身、尾段等复合材料构件已经实现批量生产。此外,当今世界能源短缺,节能和新型能源开发成为焦点,交通运输、风力发电、海上石油开采等领域对先进树脂基复合材料的需求迫切,先进树脂基复合材料应用领域将进一步拓展。

2.在其他国家战机上的应用。针对２０世纪８０年代初美国的ＡＴＦ先进战术战斗机的研制计划，前苏联也拟定出关于研制第五代（相当于西方第四代）歼击机的秘密决定。苏霍伊和米高扬设计局相继制造出了Ｓ－３７“金雕”（后改称苏－４７）和Ｍ－１．４４技术验证机，Ｓ－３７广泛采用了先进材料，尤其是其前掠机翼几乎全部采用复合材料制作，通过合理的纤维铺层克服了前掠翼的“气动弹性发散”问题，这是Ｓ－３７引人注目的主要原因之一。Ｍ－１．４４采用三角翼、双垂尾的鸭式气动布局和可调Ｓ型进气道．机体的前翼、部分蒙皮和武器舱门等处大量采用了复合材料，先进复合材料占结构重量的３０％，“未来战术航空综合系统”项目的原型机Ｔ－５０实现了首飞，复合材料约占Ｔ－５０整机重量的２５％，约占机体表面部分重量的７０％，与苏－２７相比，Ｔ－５０机体零件的数量减少了四分之三。为满足战机对高机动性、超音速巡航及隐身的要求，各国都不同等程度地在战机上应用了先进树脂基复合材料。

经过多年的发展，先进树脂基复合材料用高性能碳纤维和芳纶纤维已经实现系列化和产业化；树脂基复合材料力学性能、韧性、耐高温性能及工艺性得到综合提升；复合材料构件自动化、数字化、整体化和低成本制造技术趋于成熟；树脂基复合材料综合考核充分，应用领域和效能不断拓展和提高；结构功能（吸／透波、抗弹、防热）复合材料形成基本系列，技术趋于成熟。

参考文献

[1]郝建伟．先进树脂基复合材料的技术现状及发展方向[J]．第十三届国际复合材料学术会议专辑，2016（3）:24-25．

[2]翟青霞，黄英，苗璐，等．树脂基复合吸波材料在航空、航天中的应用[J]．玻璃钢／复合材料，2016（6）:75