先进复合材料与航空航天杜善义.docx

1、先进复合材料与航空航天杜善义DOI 牶牨牥牣牨牫牳牥牨牤j 牣cn ki 牣fhclxb 牣牪牥牥牱牣牥牨牣牥牥牨复合材料学报A cta M ateriae Co mpo sitae Sinica文章编号:10003851(2007 01001201第24卷第1期2月2007年V ol . 24No . 1Februar y2007先进复合材料与航空航天杜善义*(哈尔滨工业大学, 哈尔滨150001摘要:复合化是新材料的重要发展方向, 先进复合材料已经成为航空航天结构的基本材料之一。本文中阐述了先进复合材料在航空航天领域的应用需求和现状, 介绍了诸如点阵、纳米、多功能复合材料与结构等研发热点和

2、前沿技术, 并讨论了其研发与应用趋势。最后, 重点讨论了复合材料的原材料技术、低成本技术、设计/评价一体化技术等亟待解决的问题。关键词:先进复合材料; 航空航天; 低成本; 设计/评价一体化中图分类号:TB33文献标识码:Advanced composite materials and aerospace engineeringDU Shanyi *(H arbin Institute o f T echno log y , H arbin 150001, China A bstract :A dv anced co mpo site materia ls (A CM have become

3、the basic materials o f the ae rospace enginee ring. In this paper , the requir ements and the applicatio ns o f A CM in the ae rospace e nginee ring wer e presented. So me hot -spo t technological fields , such a s la ttice ma te rials and structures , na no -composite materials and multi -functio

4、nal materials , w ere introduced. T heir po tential applications and developments were prospected. Finally , the pr oblems to be resolved about raw ma te rials , lo w co st , integ ratio n o f desig n a nd evaluatio n in ACM w ere discussed. Keywords :advanced compo site ma te rials ; aero space ; l

5、ow cost ; integ ra tion of design and evaluation1先进复合材料是航空航天的重要物质基础与先导技术1. 1先进复合材料已成为四大类材料之一材料是社会发展的物质基础和先导, 而新材料则是社会进步的重要里程碑。新材料技术是支撑当今人类文明的现代工业关键技术, 新材料技术一直是世界各国科技发展规划之中一个十分重要的领域, 它与信息技术、生物技术、能源技术一起, 被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高技术。复合化是新材料的重要发展方向, 也是新材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一。复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料

6、并列的四大材料体系之一1, 见图1。复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料, 它既能保留原有组分材料的主要特色, 又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同, 从而获得原组分材料无法比拟的优越性能, 与一般材料的简单混合有本质的区别2。所谓先进复合材料(Advanced composite materials , 简称ACM 是指用碳纤维等高性能增强相增强的复合材料, 对于先进树脂基复合材料, 在综合性能上与铝合金相当, 但比刚度比强度高于铝合金。本文中主要针对先进复合材料(主要指先进树脂基复合材料 及其在航空航天中的应用进行评述与讨论

7、。随着复合材料的广泛应用和人们在原材料、复合工艺、界面理论、复合效应等方面实践和理论研究的深入, 使人们对复合材料有了更全面的认识。现在人们可以更能动地选择不同的增强材料(颗粒、片状物、纤维及其织物等 与基体进行合理的性能(功能和力学 设计(如宏观的铺层设计、微结构设计等, 采用多种特殊的工艺使其复合或交叉结合, 从而制造出高于原先单一材料的性能或开发出单一材料所不具备的性质和使用性能, 如优异的力学性能、物理-化学多功能(电、热、磁、光、耐烧蚀等 或生物效应的各类高级复合材料。因此“复合”涵盖的3收稿日期:20061027; 收修改稿日期:20061206, , 2复合材料学报图1材料的相对

8、重要性1Fig. 1Relative importance of materials 1范围也越来越广:从宏观尺度的复合到微观尺度的复合; 从结构材料到结构功能一体化材料和功能复合材料; 从简单复合到非线性复合效应的复合; 从复合材料到复合结构; 从材料的机械设计到仿生设计。1. 2先进复合材料的优越性先进复合材料的高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计等优势已被世人所共识, 图2显示了复合材料高比强高比模的突出优势 。机械及热、声、光、电、防腐、抗老化等性能都可按照构件的使用或服役环境条件要求, 通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段, 最

9、大限度地达到预期的目的, 以满足工程结构设计的使用性能, 同时由于复合材料具有各向异性和非均匀性, 可以通过合理的设计消除材料冗余, 最大程度发挥材料及结构的潜力和效率。(2 材料与结构一体化。复合材料构件与材料是同时形成的, 一般不再由“复合材料”加工成复合材料构件, 使之结构的整体性好, 大幅度减少零部件和连接件数量, 从而缩短加工周期, 降低成本, 提高可靠性。(3 复合效应。复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的, 但它不是几种材料的简单混合, 而是按照复合效应形成的新的性能, 这种复合效应是复合材料仅有的, 图3显示了通过复合效应, 复合材料可以克服单一材料的某种性能缺陷。(4 材

10、料性能对复合工艺的依赖性。复合材料结构在形成过程中有组分材料的物理和化学变化, 因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程图2先进复合材料与金属的比强度与比刚度4Fig. 2Specific strength and stiffness of advancedcomp os ite materials and metals 4等依赖性较大, 同时也由于在成形过程中很难准确地控制工艺参数, 使其性能的分散性较大。(5 多功能性和发展性。复合材料组成的多样性和随意性为复合材料具有除力学性能以外的许多 与传统材料相比, 复合材料具有如下特点:。 杜善义:先进复合材料与航空航天 3流罩、固体火箭发动

11、机和卫星承力结构、天线、太阳电池帆板以及坦克装甲、避弹产品等苛刻的工作环境及材料性能的要求, 使复合材料成为优选材料。导弹发射筒采用复合材料可以减轻重量20%以上, 这不仅带来相当大的经济效益, 而且可以增加武器装备的机动性, 还可以提高其抗疲劳、耐腐蚀性能。航空领域的材料体系更强调性能与可靠性的综图3复合材料的复合效应Fig. 3Combined effect of comp os ite materials合, 先进复合材料的应用不仅具有减重的效益, 而且还使飞机结构的其他性能得到提升。例如复合材料的气动剪裁技术可显著提高结构效率6; 整体成形技术可有效减少连接, 提高结构可靠性, 降低成

12、本; 复合材料耐腐蚀抗疲劳特点可降低维护成本。国外自1980年的F -18军机开始, 最新研究的歼击机全部采用复合材料机翼, 而且在机身上也大量采用先进复合材料, 占结构重量的25%50%。如第四代机中的F22复合材料占结构重量的25%,法国Rafale 占40%,瑞典JAS39占30%,欧洲EF2000则大于40%,美国的杀手锏武器B2战略轰炸机占50%。民机上的复合材料用量也有大幅度提高。波音B777共用复合材料9. 9吨, 占结构总重的11%;“梦想飞机”B787用复合材料将达50%;A380大型客机可容纳乘客500650人, 仅碳纤维复合材料用量就达32吨左右, 加上其他各种复合材料,

13、 总用量在25%左右, 开创了大型民机大量使用复合材料的先河, 见图4。其他如支线客机和公务机上复合材料用量可达10%20%,轻型飞机和通用航空飞机上可达70%90%,直升机可达50%80%,无人机达50%80%。A380(A350、B787、A400M (40% 三大机种上复合材料材料拥有吸波、透波、耐热、防热、隔热、导电、记忆、阻尼、摩擦、阻燃、透析等功能; 同时与其它先进技术相结合, 如与纳米技术结合发展的纳米复合材料, 与生物、医学科学相结合发展的生物复合材料, 与微机电、控制、传感技术等相结合发展的智能复合材料等, 赋予了先进复合材料新的内涵。随着先进复合材料研究、研制及应用的不断扩

14、大, 其优越性能越来越得到充分发挥和扩大。1. 3先进复合材料已发展成为航空航天结构的基本材料航空航天追求性能第一的特点, 使其成为先进复合材料技术的率先实验和转化的战场, 航空航天工业的发展和需求推动了先进复合材料的发展, 而先进复合材料的发展和应用又促进了航空航天的进步。先进复合材料继铝、钢、钛之后, 迅速发展成四大结构材料之一, 其用量成为航空航天结构的先进性标志之一。将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重20%30%,这是其他先进技术很难达到的效果。美国NASA 的Langley 研究中心在航空航天用先进复合材料发展报告中指出, 各种先进技术的应用可以使亚音速运输机获得51%的减重

15、(相对于起飞重量 效益, 其中, 气动设计与优化技术减重4. 6%,复合材料机翼机身和气动剪裁技术减重24. 3%,发动机系统和热结构设计减重13. 1%,先5进导航与飞行控制系统减重9%, 说明了先进复合材料的应用减重最明显。提高复合材料用量对促进武器装备的轻量化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用。结构轻量化所带来的效益十分显著, 如战略导弹固体火箭发动机第三级结构重量减少1kg , 可增程16km , 图4复合材料在民机上的应用4Fig. 4Application of composite m aterials on civil airplanes 44复合材料学报向、杂质和改善工艺条

16、件, 利用PAN 或沥青纤维均可获得高强/高模纤维。事实上到目前为止, 要稳定生产模量700GPa 和强度5. 5GPa 的高模高强碳纤维, 仍然是非常困难的。碳纤维的压缩强度较低, 离子注入技术可改善碳纤维的压缩强度, 但这种工艺成本很高。2. 2低成本技术是先进复合材料拓展应用的根本手段与途径21世纪, 先进复合材料的需求将以更快的速度增长, 而其高成本已经成为制约复合材料广泛应用的重要瓶颈, 低成本复合材料技术已成为目前世界上复合材料研究领域的一个核心问题。提高先进复合材料的性能价格比, 除了在原材料、装配与维护等方面进行研究改进外, 更重要的是降低复合材料制造成本。据统计先进复合材料的

17、制造工艺成本占总成本的75%以上, 复合材料产品的性能与成本之间存在明显的非线性关系。有时90%的性能只需60%的工艺成本, 而其余10%的性能却需要40%的成本。在过去的30多年中, 复合材料的研究与开发重点放在材料性能和工艺改进上, 目前的重点是先进复合材料的低成本技术, 各种低成本技术的开发和应用将是复合材料发展的主流, 其中的重点是低成本制备技术和制备技术的优化。美国制定并实施了许多低成本复合材料研究开发计划。自动铺带技术和自动纤维丝束铺放技术具有高效、低成本的特点, 特别适合于大尺寸和复杂构件的制造, 减少了拼装零件的数目, 节约了制造和装配成本, 充分利用材料, 并极大地降低了材料

18、的废10, 119的大规模应用形成了复合材料在航空领域再度“起飞”的态势7。2先进复合材料的研发热点2. 1原材料技术是先进复合材料研发的基础与前提基体和增强体等原材料是发展先进复合材料的基础和前提, 而增强纤维技术尤为重要。碳纤维是20世纪60年代迅速发展起来的高新材料, 主要包括以美国为代表的大丝束碳纤维和以日本为代表的小丝束碳纤维两大类。日本东丽公司开发了T300T1000的高强纤维和M 30S M 60J 的高模纤维, 其中T -300是最先商业化的普通碳纤维, T300/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用8。目前应用较多的高强度中模量碳纤维IM 7和T800H 强度达到

19、5. 5GPa , T -1000的抗拉强度达到7. 02G Pa , 是目前世界上强度最高的碳纤维。日本碳纤维生产代表了目前碳纤维不断向高性能方向发展的一个趋势。碳纤维发展的另一大趋势是开发大丝束纤维, 大丝束纤维的生产对前驱体要求低, 产品成本低(每千克碳纤维将降到10美元左右, 非常适用于一般民用工业领域。目前关于碳纤维的研究主要是提高模量和强度, 降低生产成本。使用的纤维先驱体仍然主要是PAN 和沥青纤维, 二者的用量比例约为61。一般来说, PAN 基碳纤维具有高强度, 而沥青基碳纤维具有高模量。但通过控制微观结构缺陷、结晶取表1美国低成本复合材料结构研究开发计划Ta ble 1Pr

20、ograms for low cost co mposite materials and structures of US项目名称资助者参加单位时间研究目标批量产的F22飞机低成本制In 1997造技术研究, 比原来复合材料结构成本降低50%以F /A-18E /F为对象的主3年翼/机身, 减重20%,降低成本30%开发低成本材料、分析技术、NAS ABoeing10年发展新设计、新制造方法, 比金属结构减重25%以宽体民机机身为研究对象, 织物预成型体, RT M , 粉末预浸料, 混编丝束预浸料, 网状纤维预成型体, 3D 编织, 缝合等Du p on t 的LDF 预浸料主要低成本技术R

21、TM 骨架, 丝束铺放蒙皮, 热铺覆成型的长桁, 热塑性复合材料的特殊工艺(拉挤、缠绕、编织等DM LCC (低成本复合材料设计和制造空军Boeing , M DC , GE , BellAFS (先进机身结构海军NAS AAC T (先进复合材料技术A TCAS (先进复合材 NAS A Boeing , M DC杜善义:先进复合材料与航空航天 5品率和制造工时。自动铺带机(A TL , autom ated tape -laying 是美国波音、Cincinnati m achine 与Cy tec 共同努力, 于20世纪70年代中期开始研制, 现已发展了三代, 效率较手工提高10倍, 节

22、省原材料, 提高制件精度、质量, 降低了成本。降低复合材料制造成本的主要措施还有发展和改进低成本的制造技术, 如改进的纤维缠绕和多维编织技术、树脂传递模塑(RTM 和树脂膜熔浸(RFI 工艺及其衍生工艺、新型非热压罐固化工艺以及工艺模拟和智能化技术。树脂传递模塑(RTM 和树脂膜熔浸(RFI 工艺具备如下优势:不需要制备复合材料预浸料, 材料成本降低; 不用热压罐固化, 设备投资减少; 可连续自动化生产, 节省工时, 提高效率; 工装模具和装配工作量减少等。新型非热压罐固化工艺主要指微波、电子束、超声波、X 射线固化方法等。目前研究最多、最有发展前景的是电子束固化工艺, 该工艺的优点是固化温度

23、低、耗能低、模具材质要求不高; 固化过程时间短、效率高、环境污染小, 并可与RTM 、拉挤、缠绕等自动化工艺相结合。2. 3新型复合材料是先进复合材料可持续发展的趋势与动力新型航空航天器的发展不断追求高效能、低成本、长寿命、高可靠, 对其材料与结构的综合要求越来越高。为适应此应用需求, 一些新型复合材料应运而生, 在现有材料性能基础上继续挖掘先进复合材料潜力, 如超轻材料与结构技术力求轻上加轻, 纳米复合使其强上加强, 多功能化追求功上加功。2. 3. 1超轻材料与结构(1 先进格栅增强结构(AGS 。传统格栅增强结构的概念是20世纪70年代由美国麦道公司首先提出, 其基本构想是:整个结构由铝

24、合金加强肋与蒙皮组成, 加强肋呈正多边形网格分布, 整个结构表现出各向同性。这种结构形式刚刚出现, 就以较高的可设计性、优越的潜在性能备受关注。格栅结构先后在Welling to m 轰炸机的机身、太阳神和Delt 运载火箭的整流罩上成功应用。20世纪90年代, Stanford 大学提出了以纤维增强复合材料(CFRP 为加强肋的各向异性格栅增强结构。这种新型的结构表现出更多潜在的优越性能, 与已有的铝合金格栅结构相比, 提高了结构的比强度和比模量, 同时增强了结构的抗腐蚀能力, 而且可以利用 12构设计、制造的灵活性, 被称之为先进格栅增强结构(AGS 。美国空军实验室1997年在国家导弹防

25、御系统试验项目(BMDO CEP 支持下, 成功设计、制造了以CFRP 为加强肋的AGS 整流罩, 重量仅37kg , 同类型铝合金防护罩重97kg , 运用纤维缠绕技术实现了自动化生产, 工艺周期缩短88%,比同类型蜂窝夹层结构制造复合材料整流罩减重40%,成本降低20%(见图51713-16。图5CEP 火箭有效载荷整流罩Fig. 5Payload fairing of CEP launch rock et先进格栅增强结构由于其突出的综合性能优势而受到普遍重视, NASA Langley 研究中心研究人员把先进格栅增强结构技术列入未来航天结构技术发展的六大方向之一的低成本结构技术之内; 美

26、国空间实验室把AGS 技术列为迎接未来空间系统技术挑战的四大结构技术之一, 并且指出了这项技术未来在航天器燃料储箱、机身等大型复杂部件应用的广阔前景。俄罗斯CRISMB 提出的应用对象包括级间段、内压容器、有效载荷适配器、运载飞船整流罩、飞机中机身舱段、翼盒、直升机垂尾梁、空间望远镜镜身以及建筑结构等19。(2 点阵复合材料。2000年左右, 在西方材料学界, 哈佛大学的Evans 教授、剑桥大学的A shby 教授、M IT 的Gibson 教授等人率先提出了一种空间点阵材料(结构。这类结构类似于现有的空间网架, 只是尺寸上要小得多, 如图6。这类材料可能具有的优越性能高比强度、高比刚度、多

27、功能性等越来越受到材料学界的重视20-22。近年来, 轻金属泡沫材料和蜂窝夹层板在航、, 18 6复合材料学报图6典型空间点阵复合材料Fig. 6Typical lattice com posite materials中使用了大量的蜂窝夹层板结构。单就芯材结构性能而言, 蜂窝结构无疑是最合理的结构形式之一, 但就夹芯结构而言, 蜂窝夹芯结构也有弱点, 即面板与芯材之间的粘接性能相对较弱, 影响或者削弱了蜂窝夹芯结构的性能, 从而导致夹芯结构的抗剪切、抗剥离、抗平压、抗疲劳等性能较低。为了使蜂窝夹芯板具有更高的性能, 人们通常通过提高面板的材质厚度或选用高性能的粘接剂来满足设计者的要求, 但是效

28、果不是很明显, 不能从根本上解决面板和芯材之间连接薄弱的问题。而格栅结构和点阵夹层结构是当前国际上认为最有前景的新一代先进轻质超强韧材料23控元件预埋于蜂窝夹层板方案相比, 该方案无需在结构中开槽挖洞, 保持了结构材料的完整性, 对结构的承载性能毫无影响, 同时该方案大大降低了埋设工艺难度, 提高了结构组装效率。另一方面, 点阵材料自身也是优良的紧凑热交换器, 可以部分或全部取代热控元件, 实现散热功能。这些将为卫星结构的减重、热控设计提供一条新的途径25。2. 3. 2纳米复合材料纳米材料科学是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学, 而且涉及到原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应

29、动力学和表面、界面科学等诸多学科, 由于纳米材料体系具有许多独特的性质, 在实际应用和理论上都具有极大的研究价值, 应用前景广阔, 成为近些年来材料科学领域研究的热点之一, 被誉为21世纪最有前途的材料。纳米材料为常规复合材料的研究增添了新的内容, 含有纳米单元相的纳米复合材料是纳米材料工程的重要组成部分, 正成为当前纳米材料发展的新动向。纳米复合材料是由两种或两种以上的固相至少在一维以纳米级大小(1100nm 复合而成的复合材料。纳米复合材料包括纳米颗粒增强复合材料、纳米片层增强复合材料、纳米纤维增强复合材料和碳纳米管增强复合材料等(图7 26。纳米复合材料已经成为先进复合材料技术的一个新增

30、长点, 也是先进复合材料技术研究最活跃的前沿领域之一。纳米复合材料的超常特性(如图8 使其在航空航天等领域具有广泛的应用前景。纳米复合材料研制中存在的关键问题:(1 分散(Dispersion 。均匀分散纳米粒子和纳米管需要克服它们由于v an der Waals 键形成的团聚, 这是纳米复合材料制备加工的第一步, 纳米片层结构的剥离也至关重要, 如果分散得不好, 影响材料的性能, 导致材料力学性能下降。(2 排列(A lign -, 已经开始应用于航天结构24。尤其点阵复合材料为结构进一步轻量化与材料/结构/功能一体化设计及实现提供了更广阔的发展空间和可能性。点阵材料的等效刚度和强度与材料的

31、等效密度近似成线性关系, 具有比当前常用的多孔材料高得多的刚度和强度。在相同的重量条件下, 通常的点阵材料的面内杨氏模量可以比蜂窝等轻质材料高出两个数量级以上, 其面外强度可高出一个数量级以上。同时, 其独特的细观周期性三维网架结构体系为应用有限元结构体系对其进行最佳构型设计提供了可循之路。研究表明, 经过优化设计后的点阵材料的承载能力更为突出。点阵夹芯结构应用于卫星结构, 将使卫星的结构重量在整个卫星重量中的比重进一步减小, 从而增大卫星的有效载荷。当前的卫星设计多将结构承载系统和热控系统分离设计, 这样, 埋设热管的基板使卫星结构显得冗余, 增加了结构重量, 同时也无法充分利用结构材料的优势。点阵夹芯结构应用于卫星结构, 可望实现卫星热控系统的全部或部分功能。点阵夹芯结构的空隙比一般大于90%,这种大的空穴为热控元件提供了安置空间, 点阵材料的开口设计方案为也 杜善义:先进复合材料与航空航天 7图7纳米复合材料Fig. 7Nan o -comp os ite materials复合材料的发展速度极快, 材料种类也不断增多,材料的功能性也不断增强。其未来的发展方向是不断满足现有型号和各种新型号的需要, 努力提高功能性, 即将尽可能多的功能集于某一种单一材料上。(1 碳/碳复合材料。随着新一代航空航天器向高超声速方向的发展, 苛刻的超高温服役环境对材料及结构的承载与防热