航空航天先进复合材料.docx

1、航空航天先进复合材料航空航天先进复合材料现状2014-08-10 Lb23742摘 要：回顾了树脂基复合材料的发展史；综述了先进复合材料工业上通常使用 环氧树脂的品种、性能和特性；复合材料使用的增强纤维；国防、军工及航空航天用 树脂基复合材料；用于固体发动机壳体的树脂基体；用于固体发动机喷管的耐 热树脂 基体；火箭发动机壳体用韧性环氧树脂基体；树脂基结构复合材料；防弹结构复合 材料；先进战斗机用复合材料；树脂基体；航天器用外热防护涂层材料；飞机结构 受力构件用的高性能环氧树脂复合材料；碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天中的 其它应用；民用大飞机复合材料；国产大飞机的软肋还是技术问题；复合材料之

2、 惑。尖键词:树脂基体；复合材料；国防；军工；航空航天；结构复合材料0 刖吕复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。今天，一个国家或地区的复合材料 工业水平，已成为衡量其科技与经济实力的标志之一。先进复合材料是国家安全和国 民经济具有竞争优势的源泉。到2020年，只有复合材料才有潜力获得20-25%勺性能 提升。环氧树脂是优良的反应固化型性树脂。在纤维增强复合材料领域中，环氧树脂大显身 手。它与高性能纤维：PAN基碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维、S或E 玻璃纤维复合，便成为不可替代的重要的基体材料和结构材料，广泛运用在电子电 力、航天航空、运动器材、建筑补强、压力管雄、化工防腐等

3、六个领域。本文重点论 述航空航天先进树脂基体复合材料的国内外现状及中国的技术软肋问题1树脂基复合材料的发展史树脂基复合材料(Resin Matrix Composite)也称纤维增强塑料(FiberReinforced Plastics)，是技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是 用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。以玻璃纤 维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业， 在我国不科学地俗称为玻璃钢。树脂基复合材料于1932年在美国出现，1940年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯 的军用飞机的雷达罩，其后不久，美国莱特空军发展中心设计制造了一

4、架以玻璃纤维 增强树脂为机身和机翼的飞机，并于1944年3月在莱特帕特空军基地试飞成功。 1946年纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。 1949年研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁，尺寸、形状准确的复合材料模压 件。1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升飞机的螺旋桨。60年代 在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航 天技术幵辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间，玻璃纤维聚酯树脂喷射成型技术 得到了应用，使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。1961年片状模塑料(Sheet Molding Compound,简

5、称SMC在法 国问 世，利用这种技术可制出大幅面表面光洁，尺寸、形状稳定的制品，如汽车、船的壳体以及卫生洁具等大型制件，从而更扩大了树脂基复合材料的应用领域。1963年前后在美、法、日等国先后开发了高产量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料 板材生产线，使复合材料制品形成了规模化生产。拉挤成型工艺的研究始于50年 代，60年代中期实现了连续化生产，在70年代拉挤技术又有了重大的突破。在70 年代树脂反应注射成型(Reaction Injection Molding,简称RIM)和增强树脂反应注射成 型(Reinforced Reaction Injection Molding,简称RRIM)两

6、种技术研究成功、现已大量 用于卫生洁具和汽车的零件生产。 1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模型料成型技术，1975年投入生产。80年代又发展 了离心浇铸成型法，英国曾使用这种工艺生产10m长的复合材料电线杆、大口径受外 压的管道等。从上述可知，新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发 展。进入20世纪70年代，对复合材料的研究发迹了仅仅采用玻璃纤维增强树脂的局 面，人们一方面不断幵辟玻纤树脂复合材料的新用途，同时也开发了一批如碳纤 维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强 材料，并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料(Advan

7、ced Composite Materials,简称ACM。)这种先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好 的性能，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。自从先进复合材料投入应用以来，有三件值得一提的成果。第一件是美国全部用碳 纤维复合材料制成一架八座商用飞机-里尔芳2100号，并试飞成功。第二件是采用 大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制 作长18.2m、宽4.6m的主货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种 压力容器。在 这架代表近代最尖端技术成果的航天收音机上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材 料。第三件是使用了先进复合材料作为主承力结构，

8、制造了这架可载80人的波音 767大型客运飞机，不仅减轻了重量，还提高了飞机的各种飞行性能。复合材料在这 几个飞行器上的成功应用，表明了复合材料的良好性能和技术的成熟，这对于复合 材料在重要工程结构上的应用是一个极大的推动。2先进复合材料工业上通常使用环氧树脂的品种、性能和特性复合材料工业上使用量最大的环氧树脂品种是缩水甘油醸类环氧树脂，而其中又以 双酚A型环氧树脂为主，双酚F型环氧树脂(DGEBF和双酚S型环氧树脂。其 次是 缩水甘油胺类环氧树脂和缩水甘油酯类环氧树脂。其他还有酚醛环氧树脂；间苯二酚 型环氧树脂、间苯二酚甲醛型环氧树脂、四酚基乙烷型环氧树脂、三疑苯基甲烷型 环氧树脂、富有柔韧

9、性脂肪族多元醇缩水甘油醸型环氧树脂、环氧丙烯酸树脂和耐 候性的脂环族环氧树脂，其可单独 或者与通用E型树脂共混，供作高性能复合材料(ACM)。缩水甘油胺类环氧树脂的优点是多官能度、环氧当量高，交联密度大，耐热性显 著提高。目前国内外已利用缩水甘油胺环氧树脂优越的粘接性和耐热性，来制造碳 纤维增强的复合材料(CFRP用于飞机二次结构材料。3复合材料使用的增强纤维复合材料所用各种纤维材料性能比较见表1。表1对一些材料的性能进行了比较。由表1可见，仅玻璃纤维就比金属材料的比强 度、比模量分别提高了 540%、31%，碳纤维的提高则更为显著。据文献报道，由 键能和键密度计算得出的单晶石墨理论强度高达

10、150GP31。因此碳纤维的进一步开发潜力是十分巨大的。日本东丽公司的近期目标是使碳纤维抗拉强度达到8.5 GPa、模量730 GPa。毋庸置言，碳纤维仍将是今后固体火箭发动机壳体和 喷管 的主要材料。开发碳纤维复合材料的其他应用大有作为，如飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及 汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发电机大型叶片、体育运动 器材（如 滑雪板、球拍、渔杆）等。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的逐步 下降，在增 强混凝土、新型取暖装置、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用 也必将迅速扩大 纾】。我国为配合北京奥运会，拟大力开发新型CFRP建材及与环 保，日用消费品相矢 的高科

11、技CFR噺市场呵。碳纤维是一种高强度、高模量材料，理论上大多数有机纤维都可被制成碳纤维，实际 用作碳纤维原料的有机纤维主要有三种：粘胶纤维、沥青纤维、聚丙烯月青纤维。当前 固体火箭发动机结构件用的碳纤维大多由聚丙烯睛纤维制成 （6）。表1各种纤维材料性能比较性能拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa密度 /(g/cm 3)比模量3109/cm比强度3107/cm严地30CrM nSi1100 2057.80.260.14-D406A15602057.80.260.20-S 玻璃纤维3200852.50.341.28-F12有机纤维43001451.441.002.99俄罗斯IM6碳纤维5200276

12、1.71.623.06美国IM7碳纤维5379 J2761.81.533.00IM8碳纤维54473031.71.783.20IM9碳纤维63432902.01.453.17P30碳纤维40002101.761.192.27日本T700碳纤维48002301.801.282.67T800碳纤维54902941.801.623.03T1000碳纤维7060294碳纤维的开发始于二十世纪六十年代，起初用于耐烧蚀喉衬、扩张段材料，后来逐 渐在其它结构件上应用。自八十年代以来，碳纤维发展较大：性能不断提高； 七、八十年代主要以3000MPa勺碳纤维为主。九十年代初普遍使用的IM7、IM8纤维 强度达到

13、5300MPa九十年代末T1000纤维强度达到7000MPa并已幵始工 程应用。 品种不断增多。以日本东丽公司为例，1983年生产的碳纤维品种只有4种，至（J 1995年碳纤维品种达21种之多。不同种类、不同性能的碳纤维可满足不同需要，为 碳纤维复合材料的广泛应用提供了坚实基础 opage4国防、军工及航空航天用树脂基复合材料据有尖资料报导，航天飞行器的质量每减少1干克，就可使运载火箭减轻500千克， 而一次卫星发射费用达几千万美元。高成本的因素，使得结构材料质轻，高性能显得 尤为重要。利用纤维缠绕工艺制造的环氧基固体发动机罩耐腐蚀、耐高温、耐辐射， 而且密度小、刚性好、强度高、尺寸稳定。再如

14、导弹弹头和卫星整流罩、宇宙飞船 的防热材料、太阳能电池阵基板都采用了环氧基及环氧酚醛基纤维增强材料来制 造。处于航天航空飞行及其安全的考虑所需，作为结构材料应具有轻质高强、高可 靠性和稳定性5环氧碳纤维复合材料成为不可缺少的材料。高性能环氧复合材料采用的增强材料主要是碳纤维 (CF)以及CF和芳纶纤维(K-49)或高强玻璃纤维(S-GF)的混杂纤维。所用基体材料环氧树脂约占高性能复合材 料树脂用量的90%左右。高性能复合材料成型工艺多采用单向预浸料干法铺层，热 压罐固化成型。高性能环氧复合材料已广泛应用在各种飞机上。以美国为例，20 世纪60年代就开始应用硼/环氧复合材料作飞机蒙皮、操作面等。

15、由于硼纤维造 价太贵，70年代转向碳/环氧复合材料，并得到快速发展。大致可分为三个阶段。 第一阶段应用于受力不大的构件，如各类操纵面、舵面、扰流片、副翼、口盖、阻力 板、起落架舱门、发动机罩等次结构上。第二阶段应用于承力大的结构件上，如 安定面、全动平尾和主受力结构机翼等。第三阶段应用于复杂受力结构，如机身、 中央翼盒等。一般可减重20%-30%。目前军机上复合材料用量已达结构重量的 25%左右，占到机体表面积的80%。高性能环氧复合材料在国外军机和民机上的应 用实例较多。我国于1978年首次将碳玻/环氧复合材料用于强5型飞机的进气道侧壁。据有 尖 会专家介绍，20世纪80年代在多种军机上成功

16、地将C/EP用作垂直安定面、舵面、 全动平尾和机翼受力盒段壁板等主结构件。宇航工业中除烧蚀复合材料外，高性能复合材料应用也很广泛。如 三叉 戟导弹仪器舱锥体采用C/EP后减重25%-30%省工50流右。还用作仪器支 架及三叉 戟导弹上的陀螺支架、弹射筒支承环，弹射滚柱支架、惯性装置内支架和电池支 架等55个辅助结构件。由于减重，使射程增加342km德尔塔火箭的保护罩和级间段 亦由C/EP制造。美国卫星和飞行器上的天线、天线支架、太阳能电池框架和微波滤 波器等均采用C/EP定型生产。国际通讯卫星V上采用C/EP制作天线支撑结构和大 型空间结构。宇航器“空中旅行者”的高增益天线次反射器和蜂窝夹层结

17、构的内外 蒙皮采用了 K-49/EP o航天飞机用NomeX蜂窝C/EP复合材料制成大舱门，C/EP尾 舱结构壁板等。4.1国内外发展现状及趋势 航天高新技术对航天先进复合材料的要求越来越高，促 使先进复合材料向几个方向发展:高性能化，包括原材料高性能化和制品高性能 化。如用于航空航天产 品的碳纤维由前几年普遍使用的T300已发展到T7O0 T800 甚至T1000。而一般环氧树脂也逐步被韧性更好的、耐温更高的增韧环氧树脂、双 马树脂和聚酰亚胺树脂等取代；对复合材料制品也提出了轻质、耐磨损、耐腐蚀、耐 低温、耐高温、抗氧化等要求。低成本化，低成本生产技术包括原材料、复合工艺 和质量控制等各个方

18、面。多功能化，航天先进复合材料正由单纯结构型逐步实现 结构与功能一体化，即向多功能化的方向发展。碳纤维增强复合材料(CFRP)是目前最先进的复合材料之一。它以其轻质高强、耐高 温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点，广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料，是其 它纤维增强复合材料所无法比拟的。4.2用于固体发动机壳体的树脂基体环氧树脂由于力学、热学性能优异，电气性能优良，耐化学介质性、耐候性好及工艺性优良等优点，数十年来一直是固体火箭发动 机复合材料树脂基体的主体，预计今后相当长时间内仍将如此。环氧树脂的缺点是 耐冲击损伤能力差，耐热性 较低( Intelsat-V、ERS-1等卩星卜使用了碳纤维/环氧复合 材料 导波和滤波器件卫星本体结构日本ETS-1卫星的壳体采用了碳纤维复合材料国际空间站的 桁架结构美国为国际空间站所研制的桁架结构，其管状杆件为镀铝膜的石 墨 纤维/环氧复合材料：选用了三组复合材料，分别为P75/934Ep、 T300Gv/934Ep 和 P75/Bp907比较常用的有4, 4 二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺（TGDDM）鉴于性能价格比，它 可能是最实用的高性能环氧树脂。它具有优良的耐热性，长时高温性能和机械强度 保持率，固化收缩低，化学和辐射稳定性好，还可用于高性能结构胶粘剂，结构层压板和耐