航空航天先进复合材料在国内外的发展现状、问题及趋势

 

 

复合材料所用各种纤维材料性能比较见表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%和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150GPa。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8.5GPa、模量730GPa。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。我国为配合北京奥运会,拟大力开发新型CFRP建材及与环保，日用消费品相关的高科技CFRP新市场。

 

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、聚丙烯腈纤维。当前固体火箭发动机结构件用的碳纤维大多由聚丙烯腈纤维制成。

 

 

据有关资料报导，航天飞行器的质量每减少1千克，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。出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，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。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。据有关会专家介绍，20世纪80年代在多种军机上成功地将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%左右。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构的内外蒙皮采用了K-49/EP。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。

 

 

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T700、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。

 

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(<170℃)，在湿热环境下力学性能下降明显。这些年来环氧树脂的发展经历了刚性环氧→柔性环氧→刚性环氧的过程。但居主导地位的一直是刚性双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂。如美国“三叉戟-1”、“三叉戟-2”导弹以及“飞马座”火箭采用的HBRF-55A配方以E-PON826为主。多年来各国都在通过加入柔性单元改进环氧树脂的韧性，通过加入新型刚性链单元结构或使用芴型芳香胺固化剂来提高耐热性，并分别取得了预期的效果。

 

耐高温结构复合材料用的新型热固性树脂一般指芳杂环高聚物,如聚酰亚胺、聚苯砜等，它们的耐热性比改性环氧和多官能团环氧更高，其中聚酰亚胺是目前耐热性最好、已实现工业化生产的重要品种。聚酰亚胺中的双马来酰亚胺(BMI)既具有聚酰亚胺耐高温、耐湿热、耐辐射的特点，又有类似于环氧树脂较易加工的优点。但缺点是熔点高、溶解性差、脆性大，如HexcelF650是成熟的第二代BMI树脂。在非常潮湿的情况下，最高连续使用温度为204.4℃，采用HexcelF650基复合材料的导弹经喷气式战斗机超声速冲刺后，能承受比预料更严酷的热环境。如能应用于固体发动机壳体，对其综合性能的提高十分有利。目前的主要问题是BMI的固化温度(约300℃)和固化压强(约1.5MPa)均比较高，使缠绕型组合芯模和壳体内绝热层难以承受。

 

氰酸酯树脂(CE)是二十世纪八十年代开发的一类新型树脂。主要用途有：高性能印刷电路板、高性能透波结构材料(如雷达罩)、航空航天用高韧性结构复合材料。最早应用于宇航领域的商品化氰酸酯基复合材料为美国Narmco公司的R-5254C，它是碳纤维增强的CE与其它树脂的混合物。随后,一些供应CE基复合材料预浸料的公司，在CE中加入玻璃化温度高于170℃的非晶态热塑性树脂如聚碳酸酯(PC)、聚砜(PS)、聚醚砜(PES)等，使CE保持优良耐湿热性能介电性能同时，冲击后压缩强度(CAI)值达到240~320MPa，其使用温度与改性后的PI、BMI相当。如Ciba-geigy生产的ArocyL-10和RTX366的熔融物粘度极小，只有0.1Pa·s，特别适用于纤维速浸法制预浸料，在SRM研制中有着广阔的应用前景。“YLA公司”使用XU71787-07试制成碳纤维增强预浸料，经质量评估认为可制作卫星天线。

 

液晶聚合物是热塑性树脂中较为独特和优异的一类，目前主要有芳族均聚酯和共聚酯。它们是一种自增强材料，高分子主链是由刚性或半刚性链段和柔性链段通过分子裁剪设计而成，在熔融状态呈液晶态，在冷却过程中这种有序性保留，使材料获得优异的力学性能。典型牌号有美国的Vectra树脂,Ekond树脂等。液晶聚合物既可以单独成型(如美国在1990年研制了所有结构部件均由液晶聚合物制作的固体火箭发动机)，也可以作为复合材