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
一、在航空航天中有效地应用复合材料的优势
复合材料本身具有质量较轻、强度较高,以及耐腐蚀性、耐疲劳性相对较强的诸多优势。在飞机结构制造方面全面的应用复合材料,不仅能够全面提升飞机的先进性和性能水平,同时也能最大限度地减轻飞机的自重。因此,复合材料的有效应用可以说是全面地促进航空航天领域发展的核心技术,也是在航空航天国际化竞争当中取得优势的关键所在。
现阶段,我国的飞机制造过程当中复合材料的应用比例已经达到20％左右,在先进军用飞机的制造过程当中,复合材料的应用范围和应用比例更高。在我国航空航天技术不断提升的情况之下,飞机制造和军用飞机制造过程当中复合材料的应用比例将会不断提高。预计在不久的未来,我国的军用飞机制造复合材料应用比例能够达到50％左右。现阶段,我国的航空航天复合材料应用取得了相对较好的成就,例如,在导弹的制造的过程当中,大部分的构件都是由树脂基复合材料制成的。这不仅能够全面的降低导弹的重量,同时还能够显著地提升导弹的整体性能。
二、复合材料的特点及研究进展
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A120。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。
三、航空航天中复合材料的实际应用情况
3.1树脂基复合材料的应用
树脂基复合材料本身具有优于传统的铝合金和钢的强度,而且本身的质量比传统材料更轻。这主要是由于再利用乙烯基脂树脂、酚醛树脂、环氧脂树脂进行复合材料制造的过程当中,增加了超高模量的聚乙烯纤维、芳纶纤维、碳纤维等物质作为强化剂,从而使得树脂基复合材料的整体性能大幅度提升。树脂基复合材料能有效地应用在结构件的制造过程当中,能够显著的提升结构功能件和功能件的整体性能。另外,树脂基复合材料必须具有较好的温热环境适应性能和耐高温性能,同时也要具备较强的抗损伤性能,这样才能够更好地满足航空航天领域的应用要求。
现阶段,航空航天领域当中应用率相对较高的是碳纤维增强树脂基复合材料,这种复合材料到制造成本相对较低,而且制造技术整体发展相对较快,还具备复合材料的诸多优势。
因此,被作为一种成熟的复合材料广泛地应用在航空航天尖端领域。另外,在民用客机的制造过程当中有效地增加碳纤维复合材料的应用比例,不仅能够有效地降低飞行的成本消耗,同时也能最大限度地减轻民用客机的整体重量。在军用飞机的制造过程当中,应用相对较广的是芳纶纤维复合材料。这种复合材料本身具有弹性高、拉伸强度大、耐介质性能良好、热稳定性较强等的特点,能够全面地提升军用飞机的整体防护性能。除此之外,通过将光谱纤维和芳纶纤维有效的中和,还能够形成全新的光谱屏蔽材料。这种材料的比重相对较小、强度相对较高,本身的抗冲击性能较为良好。
3.2陶瓷基和碳／碳复合材料的应用
碳／碳复合材料、陶瓷基复合材料各方面性能相对较强,是一种全新的耐热结构复合型材料。陶瓷基复合材料具有热膨胀系数较小、耐高温、抗氧化、比重小、断裂韧性高、抗弯强度高等特点。在实际工作过程当中,温度通常保持在1250—1650e的范围左右。碳／碳复合材料能够在温度高于1650e的情况下使用,本身具有相对较高的耐热性能,通常将其作为高温发动机的重要构件材料。
3.3功能复合材料的应用
功能复合材料是一种具备了磁、热、声、电、光不同特性材料,这种材料不仅能够很好的保留组合匹配原材料的特性优势,同时也能够通过不同的组合和匹配产生优于原材料的特性或是全新特性。例如,将有机聚合物以特殊的工艺灌注到高孔率压电陶瓷当中能够制成全新的压电材料,这种压电材料的探测距离更远、灵敏度更强。例如,导电复合材料、屏蔽复合材、磁性复合材料、热湿敏复合材料、反射率和折射率可变的复合材料、柔性薄膜红外热释电复合材料等,都是属于正在研发的全新型功能复合材料。在航空航天中应用最为广泛的功能性复合材料,还有聚酚亚胺树脂基、双马来酚亚胺树脂、韧性环氧树脂、玻璃纤维复合材料(Grrtp)、铝合金．玻璃纤维混杂复合材料(GLARE)等。
四、复合材料在航空航天领域的应用
4.1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％t,美国第4代歼击机F一22,其树脂基复合材料用量达25％,中国自主研发的歼一20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一66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。
4.2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。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。
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。
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