航空航天领域先进复合材料的运用浅析

航空航天领域先进复合材料的运用浅析

蒲欢

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司， 黑龙江哈尔滨 150060

摘要：先进复合物具有多功能性、结构总体性与可规划性等特征，在各领域被普遍推广和使用，尤其是在航空航天方面。本文结合先进复合物构成情况，详细阐述了航空航天方面先进复合物的具体使用，最后分析了航空航天方面先进复合物的发展前景。

关键词：航空航天；先进复合物；发动机；卫星

近几年，航空航天行业获得了迅速发展与进步，主要是由于先进复合物在航空航天方面的普遍使用。当前，先进复合物的研发推动了航空航天行业的发展，它既是目前材料领域的研发热点之一，也是发展最先进的分支，将之用于航空航天设备上，能够提高航空航天设备质量，减轻结构重量，从而减少航空航天设备的加工与发射成本。

1、先进复合物的主要构成

1.1树脂

树脂基体属于复合材料的关键构成部分，树脂基体令纤维变成一个综合体，所以树脂具有传送载荷与平衡载荷的效果。复合材料的工艺水平、力学水平的压缩程度与开裂韧性和其他层面的物理或化学性能均由树脂基体决定。当前，使用比较普遍的有环氧树脂与BMI。

1. 环氧树脂

这种材料包含两个甚至多个环氧基团，属于关键的热固性树脂，存在质轻、强度大、模量高、防腐性好、生产方便、效率高与材料可规划性强等特征，而且还具有很多特殊性，如可以减振、消声、透波、隐身等性质，是国家经济与国防技术发展中无法取代的核心材料。但其存在一定缺点，就经济方面来说，其价格很高，脆性很大，要添加增塑剂。

2. BMI材料

BMI材料的研究略晚一点，但其发展与使用较快。BMI材料是由聚酰亚胺树脂构成的树脂体系，主要由两分子的马来酸酐和一分子的二元胺反应形成双马来酰胺酸，然后通过脱水环化形成。BMI的耐热性与耐蚀性比环氧树脂好，但固化物的脆性很大。经与多类化合物共聚合使用新的增韧剂处理，当前已实现冲击后CAI为296MPa，最高应用温度为177℃的BMI复合物。

1.2纤维

纤维属于复合材料内的增强体，起到承担载荷的功能，是复合物的关键构成部分，当前使用比较普遍的是CF与GF材料。

（1）GF材料

GF属于一种非金属物料，性能好，种类较多，具备较好的耐绝缘性与防腐蚀性，而且具备耐热性强与机械强度大等特征，但脆性与耐磨性很差。除THF之外，针对一般物质具有很好的防腐性。针对GF材料来说，GF织物的编织形式十分关键，平纹布仅用于简单的配件，缎纹布就用作成型繁琐的部件。

（2）CF材料

因为GF模量低，无法符合宇航工业方面的受力结构要求，所以在上世纪60年代，陆续发展性能更好的CF材料。CF材料属于一种含碳量超过95%，具备高强度、模量大的高质量纤维材料。CF是由片状石墨微晶等物料，顺着纤维中心方向堆砌形成，通过碳化与石墨化加工后，获得的微晶石墨物料。CF具备较好的耐高低温质量，在气体隔绝环境下，2000℃依旧有较大强度；在液氮环境下也不会断开。

2、先进复合材料性质及优越性

2.1结构总体性

实际生产环节，有些常规金属的轮廓不规则且外表杂乱，使得金属材料应用的可行性很差，提高了生产难度，采取先进复合材料能够防止这些问题^[1]。这种材料并不是单纯的混合几类材料，其是分析与预计各类材料性能，从而联结应用各种材料，经繁琐的工艺研制出先进复合物，从而用于各领域。使用先进复合物既缩减了工期，还提高了产品功能稳固性，令产品持久耐用。

2.2经济利益最大化

航空航天方面先进复合物的使用非常普遍，主要原因在于先进复合物能削减航空航天设备所要的金属材料，并削减了生产阶段的焊接、铆接等繁琐的工艺程序，从而降低了人工费用与材料费用，提高了采用利用率的基础上获得最大转化率。

3、航空航天方面先进复合材料的具体使用

3.1航空方面

（1）先进复合材料用于发动机内

航空发动机产品规划中，高性能系统针对材料的轻质化和耐高温等有较高要求。新材料和工艺技术的不断进步旨在适应新型航空发动机需求，尤其是先进复合物已大面积用于航空发动机内，比如在发动机气体流动通道内采用陶瓷基复合物，就能只要少数甚至不要冷却空气来降低发动机高温位置，由此能大幅度减小涡轮扇发动机机重，提高发动机工作效率，最终大大提高发动机质量、耐久性能、燃油经济性等。

（2）先进复合物用于无人机中

无人机会是航空领域今后发展的重要趋势，其主流趋势就是飞得更远、时间更久、隐身效果更佳，若想提升无人机生产效率、较低加工成本、复合物的使用就是一个关键的技术项目^[2]。比如把石墨/环氧复合物用于无人机尾翼位置，相对于原来的铝合金混合产品其重量能削减60%以上。另外，设计师采用复合物还可以取得空气动力学规划，例如超声速运转的前掠翼飞机。

3.2航天方面

（1）使用导弹结构物料

CF材料或环氧复合物所加工的导弹结构相对于铝结构其重量会减小40%以上。当前，很多发达国家在生产导弹发射筒方面也开始使用先进复合物，如美国生产的“MX”导弹、俄国生产的“白杨M”导弹等，使用先进复合物所加工出的导弹发射筒经减少自重可以明显提高导弹灵活度。当前我国在该方面也开展了一系列研究，且研制出了使用先进复合物所生产的仪器舱，可以大幅度提高战略导弹的机动性和灵活度，具有良好的使用成效。

（2）运载火箭结构物料

对于运载火箭的钢壳体物料，部分发达国家已经在20世纪50年代就开始选择用纤维包裹成型的玻璃结构，相对于传统钢壳体，使用这种材料可以减少50%之上的结构重量，基于此，美国又研制了“MX”三级发动机结构，芳纶/环氧复合物用于发动机壳体上有非常好的效果，这种结构类型的壳体自重相对于纤维包裹成型的玻璃结构其自重又能进一步减少50%左右。随着先进复合物的迅速发展，将之用在运载火箭发动机结构中的优势越来越明显。目前，我国也开始将先进复合物用于运载火箭发动机结构加工方面，现已经可以把芳纶/环氧材料和GF/环氧复合物顺利用在运载火箭发动机结构中^[3]。在运载火箭壳体规划中合理使用先进复合物，能大大减轻运载火箭发动机自重，使之发动机性能明显提高。

3. 卫星与宇航器结构物料

卫星结构性能将直接关系着卫星功能性质，对于卫星结构采用轻型化规划已经是卫星发展的重要趋势之一。使用先进复合物加工通信卫星推力桶，其自重相对于原来的铝结构能降低30%左右，所降低的重量能增加450条电话线，而且还可以大大减少卫星发射费用，具有很好的经济效益。

4、结束语

总之，尽管通过了40多年快速发展，国内先进复合材料领域已发展成完善的体系，而且被用于航空航天方面，获得了很好的反馈，但相较于西方发达国家，还有较大差距，因此先进复合物研发者与制造公司要进一步探究先进复合物结构、加工技术等，并学习国外成功经验与技术，处理今后可能遇到的各种问题，由此提升航空航天方面高科技水平。

参考文献：

[1]寇天翔.航空航天领域先进复合材料的应用探讨[J].中国高新科技,2021(21):112+122.

[2]蔡菊生.先进复合材料在航空航天领域的应用[J].合成材料老化与应用,2018,47(06):94-97.

[3]张璇,沈真.航空航天领域先进复合材料制造技术进展[J].纺织导报,2018(S1):72-79.