第一篇：航空航天材料的應用與發(fā)展

航空航天材料的應用與發(fā)展

S201201 張明潔 2012040301003 飛行器及其動力裝置、附件、儀表所用的各類材料，是航空航天工程技術發(fā)展的決定性因素之一。航空航天材料科學是材料科學中富有開拓性的一個分支。飛行器的設計不斷地向材料科學提出新的課題，推動航空航天材料科學向前發(fā)展；各種新材料的出現(xiàn)也給飛行器的設計提供新的可能性，極大地促進了航空航天技術的發(fā)展。

航空航天材料的進展取決于下列3個因素:①材料科學理論的新發(fā)現(xiàn)：例如，鋁合金的時效強化理論導致硬鋁合金的發(fā)展；高分子材料剛性分子鏈的定向排列理論導致高強度、高模量芳綸有機纖維的發(fā)展。②材料加工工藝的進展：例如，古老的鑄、鍛技術已發(fā)展成為定向凝固技術、精密鍛壓技術，從而使高性能的葉片材料得到實際應用；復合材料增強纖維鋪層設計和工藝技術的發(fā)展，使它在不同的受力方向上具有最優(yōu)特性，從而使復合材料具有“可設計性”，并為它的應用開拓了廣闊的前景；熱等靜壓技術、超細粉末制造技術等新型工藝技術的成就創(chuàng)造出具有嶄新性能的一代新型航空航天材料和制件，如熱等靜壓的粉末冶金渦輪盤、高效能陶瓷制件等。③材料性能測試與無損檢測技術的進步：現(xiàn)代電子光學儀器已經(jīng)可以觀察到材料的分子結構；材料機械性能的測試裝置已經(jīng)可以模擬飛行器的載荷譜，而且無損檢測技術也有了飛速的進步。材料性能測試與無損檢測技術正在提供越來越多的、更為精細的信息，為飛行器的設計提供更接近于實際使用條件的材料性能數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)提供保證產(chǎn)品質(zhì)量的檢測手段。一種新型航空航天材料只有在這三個方面都已經(jīng)發(fā)展到成熟階段，才有可能應用于飛行器上。因此，世界各國都把航空航天材料放在優(yōu)先發(fā)展的地位。

材料不僅是制造航空產(chǎn)品的物質(zhì)基礎，同時也是使航空產(chǎn)品達到人們所期望的技術性能、使用壽命與可靠性的技術基礎。航空技術的進步與發(fā)展對航空材料起著積極的“牽引”作用；與此同時，材料科學與工程發(fā)展，新型材料的出現(xiàn)，制造工藝與理化測試技術的進步，又為航空新產(chǎn)品的設計與制造提供重要的物質(zhì)與技術，從而對航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著有效的“推動”作用。例如，承載與隱形一體化材料的出現(xiàn)，既是隱形飛機設計構思提出的需求，同時也使隱形飛機從設想變?yōu)楝F(xiàn)實；優(yōu)質(zhì)單晶高溫合金的出現(xiàn)，使發(fā)動機渦輪前溫度得以大大提高，推動著高推重比航空發(fā)動機的進步。

由于航空產(chǎn)品具備高科技密集、系統(tǒng)龐大復雜、使用條件惡劣多變，要求長壽命、高可靠性和品種多、批量小等特點，從而使航空材料也相應地具有一系列特點：

（1）種類、品種、規(guī)格多。航空材料按用途分有結構材料、功能材料及工藝與輔助材料三大類：按化學成分分有金屬材料、有機高分子材料、無機非金屬材料以及各種復合材料。各類材料又涉及眾多的牌號、品種與規(guī)格。

（2）高的比強度（σｂ/ρ）和高的比剛度（Ｅ/ρ）是航空結構材料的重要特點。減輕結構重量既可增加飛機、直升機的運載能力，提高機動性，加大航程，又可減少燃油消耗。因此，高強度鋁合金、鈦合金以及先進復合材料在航空上得到廣泛的應用。

（3）高溫合金是航空材料極其重要的組成部分。燃氣渦輪（包括渦輪噴氣、渦輪風扇、渦輪螺旋槳、渦輪軸）發(fā)動機是現(xiàn)代飛機、直升機的主要動力裝置，而各類高溫合金則是制造現(xiàn)代航空燃氣渦輪發(fā)動機的關鍵材料。隨著發(fā)動機推重比（或功重比）的提高，渦輪前溫度也隨之升高，對材料的耐溫要求也愈來愈高。

（4）質(zhì)量要求高。由于飛機、直升機是一種載人反復運行的產(chǎn)品，在規(guī)定的使用壽命期內(nèi)，對使用可靠性、安全性有著極其嚴格的要求。為此對航空材料要進行嚴格的質(zhì)量控制。

（5）抗疲勞性能是航空材料的另一個突出特點。大量的事實說明，在飛機、發(fā)動機所發(fā)生的失效事件中，約80%以上是各種形式的疲勞損傷所引起。航空材料的抗疲勞性能是關系到航空產(chǎn)品使用可靠性和使用壽命的一項非常重要的性能指標。

（6）成本高、價格貴。由于航空產(chǎn)品品種多樣而批量小，相應地航空材料的牌號品種也多，批量也小，難以形成規(guī)?；a(chǎn)，同時質(zhì)量要求又高，從而導致材料的成本高，價格貴。材料費用在航空產(chǎn)品成本中占有很大比重。如何降低其價格是航空材料發(fā)展的一個重要努力方向。

中國航空產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了從修理、引進、仿制到改進、改型和自行設計研制的發(fā)展歷程。用以制造航空產(chǎn)品的材料也經(jīng)歷了引進、仿制、改進、改型和自行研制的發(fā)展歷程。到目前為止，我國已定型生產(chǎn)的航空用金屬、有機高分子材料、無機非金屬材料以及復合材料的牌號約2000余個；已建成具有一定規(guī)模的航空材料研究與生產(chǎn)基地，擁有生產(chǎn)航空產(chǎn)品所需各類材料牌號、品種與規(guī)格的生產(chǎn)設備及檢測儀器；先后制訂了1000余份各類航空材料、熱工藝及理化檢測標準（包括國標、國軍標與航空標準）；編寫出版了《中國航空材料手冊》、《發(fā)動機結構設計用材料性能數(shù)據(jù)手冊》及《航空材料選用目錄》等；頒布了“航空工業(yè)材料及熱工藝技術工作規(guī)定”、“航空材料（含鍛、鑄件）技術管理辦法”等法規(guī)性文件。從總體上看，我國目前已定型生產(chǎn)的航空材料（含類別、牌號、品種與規(guī)格）及其相應的標準與規(guī)范，基本上能滿足第二代航空產(chǎn)品批生產(chǎn)的需求。針對第三代航空產(chǎn)品所需關鍵材料，如熱強鈦合金、高強鋁合金、超高強度結構鋼不銹鋼、樹脂基復合材料、單晶與粉末高溫合金等，從技術上看，已具備試用條件，但要轉化為在特定工況下使用的零部件，并體現(xiàn)出第三代航空產(chǎn)品的總體效能（技術與戰(zhàn)術性能、使用可靠性與壽命以及經(jīng)濟效益等）尚需做大量的工作。

我國航空材料的現(xiàn)狀與新一代航空產(chǎn)品（飛機以F-22為代表，發(fā)動機以推比10為代表）對材料的需求之間尚存在較大的差距，主要有如下三方面：

（1）前沿材料研究滯后，新材料儲備小，第三代、第四代航空產(chǎn)品所需的一些關鍵材料，如快速凝固材料、高強輕質(zhì)結構材料、熱強鈦合金、超高強度鋼、金屬間化合物及以其為基的復合材料、樹脂基復合材料等的研究滯后，與國外先進新材料研制水平的差距約為15～20年；

（2）新材料研制、生產(chǎn)和應用研究的基礎條件較差，如超純?nèi)蹮挕⒏邷卣w擴散連接、噴射成型、等溫鍛造、電子束沉積涂層、納米材料制備、超高溫檢測、超聲顯微鏡、激光無損檢測等先進的合成與加工設備、質(zhì)量檢測與控制手段等不能滿足新材料研制、生產(chǎn)與應用的需要；

（3）一些常用結構材料的質(zhì)量不穩(wěn)定，性能數(shù)據(jù)分散，表面質(zhì)量差，尺寸精度低，有些品種規(guī)格不能正常供貨，滿足不了生產(chǎn)使用要求。

建立中國航空材料體系的具體思路應包括以下幾個層次：

1.逐步理順和建立我國航空用各類材料的牌號序列 首先要對現(xiàn)有用于各類航空產(chǎn)品的材料加以收集匯總，然后按照“淘汰落后材料，限用綜合性能差與使用面窄的材料，合并性能水平相近的材料，推薦綜合性能好的材料，補充暫缺的先進材料”等原則，加以分類整理，建立起適合我國國情的具有不同性能水平檔次的各類材料的牌號序列，并逐步納入國標、國軍標或航標。

2.正確處理并逐步解決多國材料并存、重復、互不兼容的復雜局面

（1）對已往在引進國外航空產(chǎn)品過程中所仿制的，目前尚未納入國標、國軍標或航標的各類國外材料，進行全面清理和綜合對比分析，選擇其中國內(nèi)沒有且有應用前景的材料牌號，加以研究完善，而后使其盡快納入國標、國軍標、或航標中，編入到該類材料的牌號序列中。其余的國外材料牌號要加以限用，即限制在除原引進航空產(chǎn)品以外的產(chǎn)品上使用。

（2）隨著我國對外開放的深入和加入“WTO”步伐的臨近，引進航空產(chǎn)品及技術將會不斷增加，妥善處理其中的材料問題將是建立中國航空材料體系的關鍵。為此，要在熟悉和掌握國外各類材料牌號與標準的基礎上，進行對比分析，分別采取代用與仿制兩種方法加以處置。

首先是用國內(nèi)現(xiàn)有材料牌號代用。由于各國礦產(chǎn)資源和技術水平的不同，一些工業(yè)發(fā)達國家先后形成了各自的材料牌號序列。各國間完全相同的材料牌號是極少的，大多數(shù)只存在相當或相近的對應關系。因此，如果國內(nèi)現(xiàn)有某材料牌號的化學成分與引進產(chǎn)品所用某一材料的化學成分相近，力學性能與工藝性能相當，即可用該材料代用相應國外材料。在這里需要的是理性的、實事求是的科學分析，必須摒棄過去那種“一絲不茍”照搬照抄國外的做法。在沒有相應國內(nèi)材料牌號與之對應的國外材料，且又沒有仿制價值時，可根據(jù)具體的使用條件，采取“以優(yōu)代劣”的辦法加以處置。其次是對國內(nèi)現(xiàn)有材料牌號難以代用的少量國外材料可作如下處置：對確有先進性和應用前景者，則可立項仿制；若用量少，要求高，國內(nèi)難以仿制生產(chǎn)或雖可仿制生產(chǎn)，但經(jīng)濟上很不合算，同時國外又能正常供貨的材料，可直接向國外采購，不必拘泥于“一切立足于國內(nèi)”。

3.加大對現(xiàn)有定型材料的改進改型研究力度 通過調(diào)控成分或變更工藝等手段，充分挖掘現(xiàn)有材料的潛力，做到“一材多用”。

4.加強對新材料的研究 先進航空產(chǎn)品的發(fā)展，對材料的要求愈來愈高，因此，要加強對樹脂基復合材料、陶瓷基復合材料、金屬間化合物、高強高韌、可焊、耐蝕合金鋼、高強鋁合金、耐熱鈦合金等的研究。

5.在建立材料牌號序列的同時，建立航空材料性能數(shù)據(jù)庫 對那些用作關鍵件、重要件的材料，要補充測試有關結構設計、可靠性評估與壽命預測等所需的性能數(shù)據(jù)。

6.加強特種工藝和理化測試技術的開發(fā)研究 在制訂材料標準的同時，制訂相應的特種工藝及理化檢測標準，形成完整的標準系列，達到擴大材料應用范圍，提高材料的應用技術經(jīng)濟效益。

7.建立和完善運行機制及行業(yè)規(guī)范 在有關材料選用、材料研制和材料采購等方面，建立和完善與市場經(jīng)濟相適應的運行機制及一套行之有效的行為規(guī)范，理順材料選用、材料研制材料采購等部門之間的關系，使這方面的工作走上科學化、規(guī)范化和程序化的軌道。

第二篇：航空航天材料的發(fā)展

航空航天材料的發(fā)展

賈儒

數(shù)學試驗班21

2120603006

前一陣子電影《地心引力》上映后，引起很大反響，大家多為電影中的特效所震撼，也為宇航員在孤立無援狀態(tài)下最終重返地球的精神所折服，而我對于在遙遠天空中的飛行器更加感興趣，是它承載了人類的夢想，讓飛天，讓飛向宇宙成為現(xiàn)實。

航空材料與航空技術的關系極為密切，航空航天技術的發(fā)展必然離不開與其相對應的航空航天材料的發(fā)展，航空航天材料在航空產(chǎn)品發(fā)展中具有極其重要的地位和作用：航空材料既是研制生產(chǎn)航空產(chǎn)品的物質(zhì)保障，又是推動航空產(chǎn)品更新?lián)Q代的技術基礎。

我的介紹大致分為三個部分，一是飛機從開始到現(xiàn)在的發(fā)展過程的簡單介紹以及相對應材料選取的改變和技術工藝上的進步；二是介紹影響航空航天材料發(fā)展的因素；三是對目前高技術含量的航空航天材料進行介紹。

首先，我們來對飛行器的發(fā)展歷史來做一個介紹。

18世紀60年代發(fā)生的歐洲工業(yè)革命使紡織工業(yè)、冶金工業(yè)、機器制造工業(yè)得到很大的發(fā)展，從而結束了人類只能利用自然材料向天空挑戰(zhàn)的時代，為人類飛向天空提供了可能。1903年美國萊特兄弟制造出第一架裝有活塞式航空發(fā)動機的飛機,當時使用的材料有木材(占47％),鋼（占35％）和布（占18％）,飛機的飛行速度只有16公里/時。這是人類的第一架飛機，可以看出材料很粗糙，在現(xiàn)在的我們看來幾乎是無法理解，但也正是它成為了具有劃時代意義的發(fā)明。1906年德國冶金學家發(fā)明了可以時效強化的硬鋁，當時新材料的出現(xiàn)，使制造全金屬結構的飛機成為可能。40年代出現(xiàn)的全金屬結構飛機的承載能力已大大增加，飛行速度超過了600公里/時。這時已經(jīng)提現(xiàn)了好的材料在發(fā)明制造中所展現(xiàn)的優(yōu)勢是如此明顯。在合金強化理論的基礎上發(fā)展起來的一系列高溫合金使得噴氣式發(fā)動機的性能得以不斷提高。50年代鈦合金的研制成功和應用對克服機翼蒙皮的“熱障”問題起了重大作用，飛機的性能大幅度提高,最大飛行速度達到了3倍音速。60年代以來,航空航天材料性能的不斷提高,一些飛行器部件使用了更先進的復合材料，如碳纖維或硼纖維增強的環(huán)氧樹脂基復合材料、金屬基復合材料等，以減輕結構重量。飛行器發(fā)展到80年代已成為機械加電子的高度一體化的產(chǎn)品。它要求使用品種繁多的、具有先進性能的結構材料和具有電、光、熱和磁等多種性能的功能材料。

前者是對于飛機的各部分，而對于火箭，也可以說是另一領域，40年代初期出現(xiàn)的德國 V-2火箭只使用了一般的航空材料。50年代以后，材料燒蝕防熱理論的出現(xiàn)以及燒蝕材料的研制成功，解決了彈道導彈彈頭的再入防熱問題。返回型航天器和航天飛機在再入大氣層時會遇到比彈道導彈彈頭再入時間長得多的空氣動力加熱過程，但加熱速度較慢，熱流較小。采用抗氧化性能更好的碳-碳復合材料、陶瓷隔熱瓦等特殊材料可以解決防熱問題。（此處為引用）

人們對于飛機材料探索的時間遠長于火箭飛行器之類，觀察其發(fā)展過程更顯豐富。通過以上對航空航天材料發(fā)展過程的了解我們可以發(fā)現(xiàn)，航空航天材料的進展大致取決于下列3個因素。

一是對材料科學理論的新發(fā)現(xiàn)：例如，鋁合金的時效強化理論導致硬鋁合金的發(fā)展，也就是前面說的1906年德國科學家的發(fā)現(xiàn)；高分子材料剛性分子鏈的定向排列理論導致高強度、高模量芳綸有機纖維的發(fā)展。

二是材料加工工藝的進展：這也是顯而易見的，僅僅有理論，而沒有技術的支持是不會有任何前進的。簡單來說就是發(fā)現(xiàn)了新材料要有相應的應用技術。例如，古老的鑄、鍛技術已發(fā)展成為定向凝固技術、精密鍛壓技術，從而使高性能的葉片材料得到實際應用；復合材料增強纖維鋪層設計和工藝技術的發(fā)展，使它在不同的受力方向上具有最優(yōu)特性，從而使復合材料具有“可設計性”，并為它的應用開拓了廣闊的前景；熱等靜壓技術、超細粉末制造技術等新型工藝技術的成就創(chuàng)造出具有嶄新性能的一代新型航空航天材料和制件，如熱等靜壓的粉末冶金渦輪盤、高效能陶瓷制件等。

三是材料性能測試與無損檢測技術的進步：現(xiàn)代電子光學儀器已經(jīng)可以觀察到材料的分子結構；材料機械性能的測試裝置已經(jīng)可以模擬飛行器的載荷譜，而且無損檢測技術也有了飛速的進步。材料性能測試與無損檢測技術正在提供越來越多的、更為精細的信息，為飛行器的設計提供更接近于實際使用條件的材料性能數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)提供保證產(chǎn)品質(zhì)量的檢測手段。

一種新型航空航天材料只有在這三個方面都已經(jīng)發(fā)展到成熟階段，才有可能應用于飛行器上。因此，世界各國都把航空航天材料放在優(yōu)先發(fā)展的地位。中國也不落后，在50年代就創(chuàng)建了北京航空材料研究所和北京航天材料工藝研究所，從事航空航天材料的應用研究。盡管如此，我們國家在某些技術領域還是落后于航天強國，仍需更進一步的努力和發(fā)展。

在對現(xiàn)今航空航天材料作介紹之前，我們還需要了解的是它們需要具有哪些性質(zhì)，也就是什么樣的材料類型適合作為航空航天材料。

用航空航天材料制造的許多零件往往需要在超高溫、超低溫、高真空、高應力、強腐蝕等極端條件下工作，有的則受到重量和容納空間的限制，需要以最小的體積和質(zhì)量發(fā)揮在通常情況下等效的功能，有的需要在大氣層中或外層空間長期運行，不可能停機檢查或更換零件，因而要有極高的可靠性和質(zhì)量保證。不同的工作環(huán)境要求航空航天材料具有不同的特性。

總的來說，航空航天材料所需的性質(zhì)大致如下：

一是具有高的比強度和比剛度。對飛行器材料的基本要求是：材質(zhì)輕、強度高、剛度好。減輕飛行器本身的結構重量就意味著增加運載能力，提高機動性能，加大飛行距離或射程，減少燃油或推進劑的消耗。因此比強度和比剛度是衡量航空航天材料力學性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。同時飛行器除了受靜載荷的作用外還要經(jīng)受由于起飛和降落、發(fā)動機振動、轉動件的高速旋轉、機動飛行和突風等因素產(chǎn)生的交變載荷，因此材料的疲勞性能也受到人們極大的重視。

二是優(yōu)良的耐高溫性質(zhì)。就是說指航空材料要能耐受較高的工作溫度。對機身材料，氣動力加熱效應使表面溫度升高，需要結構材料具有好的高溫強度；對發(fā)動機材料，要求渦輪盤和渦輪葉片材料要有好的高溫強度和耐高溫腐蝕性能。

三是耐老化耐腐蝕。各種介質(zhì)和大氣環(huán)境對材料的作用表現(xiàn)為腐蝕和老化。航空航天材料接觸的介質(zhì)是飛機用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推進劑（如濃硝酸、四氧化二氮、肼類）和各種潤滑劑、液壓油等。其中多數(shù)對金屬和非金屬材料都有強烈的腐蝕作用或溶脹作用。在大氣中受太陽的輻照、風雨的侵蝕、地下潮濕環(huán)境中長期貯存時產(chǎn)生的霉菌會加速高分子材料的老化過程。所以耐腐蝕性能、抗老化性能、抗霉菌性能也是航空航天材料應該具備的良好特性。

四是壽命長以及安全性高。這更是顯而易見的因素之一，作為載人技術的支撐材料，安全因素是必須考慮在內(nèi)的。同時要注意的是，在不斷減少飛機質(zhì)量的同時，更加不能忽視因質(zhì)量減少而導致安全性減小現(xiàn)象的產(chǎn)生。

五是成本要低。新型號的先進飛機價格不斷攀升，各航空技術領先的國家和地區(qū)都先后對航空產(chǎn)品提出了“買得起”的要求。而材料在航空產(chǎn)品的成本和價格構成中占有相當份額，所以科學地選材和努力發(fā)展低成本材料技術是航空材料發(fā)展的重要方向。同時很多民航飛機，作為普通民眾所要使用的交通工具，努力降低成本也是實現(xiàn)“以人為本”的一項要求。

最后，就是對現(xiàn)今航空航天材料的介紹了。

航空航天材料按材料的使用對象不同可分為飛機材料、航空發(fā)動機材料、火箭和導彈材料和航天器材料等。按材料的化學成分不同可分為金屬與合金材料：鋁合金、鎂合金、鈦合金、鋼、高溫合金、粉末冶金合金等；有機非金屬材料（高分子材料）：透明材料、膠粘劑、橡膠及密封劑、涂料、工程塑料等;無機非金屬材料：玻璃、陶瓷等；復合材料: 聚合物基復合材料、金屬基復合材料、無機非金屬基復合材料、碳/碳復合材料等。按使用功能可分為：結構材料和功能材料。

談及具體的材料，我挑選了四個具有代表性的來簡單介紹。

1，鋁合金。鋁合金因其技術成熟、成本低、使用經(jīng)驗豐富等優(yōu)勢，在相當長的時期內(nèi)，仍將是亞音速飛機和低超音速飛機的主要結構用材之一。

2，結構鋼。一些新型超高強度鋼在今后仍然還會是起落架、主要接頭、隔框等一些主要承力構件的備選材料。

3，鈦合金。鈦合金在飛機結構用材中所占的重要地位已確定無疑，但是鈦合金的較貴的價格和較差的工藝性，是影響使用的很大因素。

4，先進復合材料。由于先進復合材料具有比鋼、鋁、鈦高得多的比強度、比模量和耐疲勞等優(yōu)點，在未來高性能的飛機結構材料中，先進復合材料將會占據(jù)越來越重要的地位，甚至完全有可能出現(xiàn)全復合材料結構的飛機。

我們知道飛機由很多個部分組成，其核心部分是發(fā)動機，所以有必要了解發(fā)動機材料的發(fā)展及現(xiàn)狀。

目前，就航空發(fā)動機的材料而言，金屬材料的使用溫度已接近其極限，不可能滿足下世紀航空發(fā)動機的設計要求。因此，發(fā)動機的設計師已開始轉變傳統(tǒng)的選材觀念，不再以金屬材料作為設計的基礎，而是轉向或接近新材料。從目前國外應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景來看，下個世紀航空發(fā)動機的材料將以非金屬材料為主體。非金屬這個技術概念范圍很廣泛，我們所說的發(fā)動機用非金屬材料主要是指復合材料。這里的復合材料主要有：陶瓷基復合材料，金屬間化合物以及碳碳復合材料。

航空發(fā)動機作為飛機的核心部件是航空發(fā)展必不可缺的一部分，而我國發(fā)動機的發(fā)展遠落后于歐美等發(fā)達國家，但隨著國家對發(fā)動機發(fā)展的重視，在發(fā)動機的投入逐漸增加讓我國發(fā)動機水平與發(fā)達國家的距離逐步縮短，如我國自行生產(chǎn)的昆侖太行發(fā)動機為我國以后發(fā)動機的發(fā)展打下了堅定的基石。

作為非專業(yè)的學生，我對航空航天材料的了解十分有限，以上是結合資料和我個人看法的敘述。六十年來，我們國家的航空航天技術和材料的發(fā)展非常迅速，在一批批航空人才的努力下，已經(jīng)有了很大進步。我相信，在新的時代里我們國家會創(chuàng)造新的輝煌。

第三篇：先進復合材料在航空航天中的應用及發(fā)展

摘要：21世紀是新型材料為物質(zhì)基礎的時代。各種高分子材料以它優(yōu)異的性能在各種方面領域有廣泛的應用。在飛機制造工業(yè)中，由于高分子材料的使用，飛機本身的質(zhì)量的減輕性能更加穩(wěn)定的同時也減少了能源的消耗。本文主要是列舉了幾種常見的高分子材料在飛機上的應用。

關鍵詞： 航空航天；國防

1.前言

材料是人們生活和生產(chǎn)必須的物質(zhì)基礎。也是人類進化的重要里程碑。材料科學主要研究材料的成分、分子或原子機構、微觀及宏觀組織以及加工制造工藝和性能之間的關系。它是一門邊緣新科學，主要一固態(tài)物理和固態(tài)化學、晶體學、熱力學等位基礎，結合冶金化工及各種高新科技術來探討材料內(nèi)在規(guī)律和應用。材料是人類用來制造機器、構件、器件和其他產(chǎn)品的物質(zhì)。但并不是所有物質(zhì)都可稱為材料，如燃料和化工原料、工業(yè)化學品、食物和藥品等，一般都不算作材料。

2.材料可按多種方法進行分類。

按物理化學屬性分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。按用途分為電子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。實際應用中又常分為結構材料和功能材料。結構材料是 以力學性質(zhì)為基礎，用以制造以受力為主的構件。結構材料也有物理性質(zhì)或化學性質(zhì)的要求，如光澤、熱導率、抗輻照能力、抗氧化、抗腐蝕能力等，根據(jù)材料用途不同，對性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質(zhì)的物理、化學性質(zhì)或生物現(xiàn)象等對外界變化產(chǎn)生的不同反應而制成的一類材料。如半導體材料、超導材料、光電子材料、磁性材料等。

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。20世紀70年代，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。80年代，隨著高技術群的興起，又把新材料與信息技術、生物技術并列作為新技術革命的重要標志?，F(xiàn)代社會，材料已成為國民經(jīng)濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。

3.材料的發(fā)展簡史

人類社會的發(fā)展歷程，是以材料為主要標志的。100萬年以前，原始人以石頭作為工具，稱舊石器時代。1萬年以前，人類對石器進行加工，使之成為器皿和精致的工具，從而進入新石器時代。新石器時代后期，出現(xiàn)了利用粘土燒制的陶器。人類在尋找石器過程中認識了礦石，并在燒陶生產(chǎn)中發(fā)展了冶銅術，開創(chuàng)了冶金技術。公元前5000年，人類進入青銅器時代。公元前1200年，人類開始使用鑄鐵，從而進入了鐵器時代。隨著技術的進步，又發(fā)展了鋼的制造技術。18世紀，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，成為產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容和物質(zhì)基礎。19世紀中葉，現(xiàn)代平爐和轉爐煉鋼技術的出現(xiàn)，使人類真正進入了鋼鐵時代。與此同時，銅、鉛、鋅也大量得到應用，鋁、鎂、鈦等金屬相 繼問世并得到應用。直到20世紀中葉，金屬材料在材料工業(yè)中一直占有主導地位。

20世紀中葉以后，科學技術迅猛發(fā)展，作為發(fā)明之母和產(chǎn)業(yè)糧食的新材料又出現(xiàn)了劃時代的變化。首先是人工合成高分子材料問世，并得到廣泛應用。先后出現(xiàn)尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及維尼綸、合成橡膠、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。僅半個世紀時間，高分子材料已與有上千年歷史的金屬材料并駕齊驅(qū)，并在年產(chǎn)量的體積上已超過了鋼，成為國民經(jīng)濟、國防尖端科學和高科技領域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的發(fā)展。陶瓷是人類最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。50年代，合成化工原料和特殊制備工藝的發(fā)展，使陶瓷材料產(chǎn)生了一個飛躍，出現(xiàn)了從傳統(tǒng)陶瓷向先進陶瓷的轉變，許多新型功能陶瓷形成了產(chǎn)業(yè)，滿足了電力、電子技術和航天技術的發(fā)展和需要。

結構材料的發(fā)展，推動了功能材料的進步。20世紀初，開始對半導體材料進行研究。50年代，制備出鍺單晶，后又制備出硅單晶和化合物半導體等，使電子技術領域由電子管發(fā)展到晶體管、集成電路、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。半導體材料的應用和發(fā)展，使人類社會進入了信息時代?，F(xiàn)代材料科學技術的發(fā)展，促進了金屬、非金屬無機材料和高分子材料之間的密切聯(lián)系，從而出現(xiàn)了一個新的材料領域——復合材料。復合材料以一種材料為基體，另一種或幾種材料為增強體，可獲得比單一材料更優(yōu)越的性能。復合材料作為高性能的結構材料和功能材料，不僅用于航空航天領域，而且在現(xiàn)代民用工業(yè)、能源技術和信息技術方面不斷擴大應用。

4.材料的發(fā)展和應用

復合材料(Composite materials)，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。

復合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。

復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。由于復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈 性優(yōu)良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。

復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設，如衛(wèi)浴設備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業(yè)是復合材料最大的用戶，今后發(fā)展?jié)摿θ允志薮螅壳斑€有許多新技術正在開發(fā)中。例如，為降低發(fā)動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動機向高速、增壓、高負荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動機活塞、連桿、軸瓦已開始應用金屬基復合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復合材料將被應用到汽車制造業(yè)中。與此同時，隨著近年來人們對環(huán)保問題的日益重視，高分子復合材料取代木材方面的應用也得到了進一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產(chǎn)品；而可降解復合材料也成為國內(nèi)外開發(fā)研究的重點。

5.材料在航空航天領域的應用

碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分優(yōu)異的力學性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強度和最高比模量。特別是在2000℃以上高溫惰性環(huán)境中，是唯一強度不下降的物質(zhì)。此外，其還兼具其他多種得天獨厚的優(yōu)良性能：低密度、高升華熱、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、高震動衰減性、低熱膨脹系數(shù)、導電導熱性、電磁屏蔽性、紡織加工性均優(yōu)良等。因此，碳纖維復合材料也同樣具有其它復合材料無法比擬的優(yōu)良性能，被應用于軍事及民用工業(yè)的各個領域，在航空航天領域的光輝業(yè)績，尤為世人所矚目。2005 年世界碳纖維的耗用量已超過2 萬噸。

可維的需求量有所減少，2002 年約減少20%，2003 年則減少約9 %。2003 年以后航空航天領域?qū)μ祭w維的需求出現(xiàn)快速增長，2006 年與2001 年相比將增長約40 %，2008 年將增長約76 %，到2010 年和2001 年相比預計增長超過100%。本文將介紹碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）在航空航天領域應用的新進展［2］

6.航空領域應用的新進展

T300 碳纖維/樹脂基復合材料已經(jīng)在飛行器上廣泛作為結構材料使用，目前應用較多的為拉伸強度達到5.5GPa，斷裂應變高出T300 碳纖維的30％的高強度中模量碳纖維T800H纖維。軍品碳纖維增強樹脂基復合材料是生產(chǎn)武器裝備的重要材料。在戰(zhàn)斗機和直升機上，碳纖維復合材料應用于戰(zhàn)機主結構、次結構件和戰(zhàn)機特殊部位的特種功能部件。國外將碳纖維/環(huán)氧和碳纖維/雙馬復合材料應用在戰(zhàn)機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能，數(shù)據(jù)顯示采用復合材料結構的前機身段，可比金屬結構減輕質(zhì)量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固 件61.3%；復合材料垂直安定面可減輕質(zhì)量32.24%。用軍機戰(zhàn)術技術性能的重要指標，結構重量系數(shù)來衡量，國外第四代軍機的結構重量系數(shù)已達到27～28%。未來以F-22為目標的背景機復合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機和無人駕駛飛機，已實現(xiàn)了結構的復合材料化。目前主要使用的是T300級和T700級小絲束碳纖維增強的復合材料。民品

在民用領域，555座的世界最大飛機A380由于CFRP的大量使用，創(chuàng)造了飛行史上的奇跡。飛機25%重量的部件由復合材料制造，其中22%為碳纖維增強塑料(CFRP), 3%為首次用于民用飛機的GLARE纖維－金屬板（鋁合金和玻璃纖維超混雜復合材料的層狀結構）。這些部件包括：減速板、垂直和水平穩(wěn)定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。繼A340對碳纖維龍骨梁和復合材料后密封框――復合材料用于飛機的密封禁區(qū)發(fā)起挑戰(zhàn)后，A380又一次對連接機翼與機身主體結構中央翼盒新的禁區(qū)發(fā)起了成功挑戰(zhàn)［3］。僅此一項就比最先進的鋁合金材料減輕重量1.5噸。由于CFRP的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損。從而大大減少了油耗和排放，燃油的經(jīng)濟性比其直接競爭機型要低13%左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率最高飛機的低15%--20%，成為第一個每乘客每百公里耗油少于三升的遠程客機。7.航天領域的新進展

火箭、導彈以高性能碳(石墨)纖維復合材料為典型代表的先進復合材料作為結構、功能或結構/功能一體化構件材料，在導彈、運載火箭和衛(wèi)星飛行器上也發(fā)揮著不可替代的作用。其應用水平和規(guī)模已關系到武器裝備的跨越式提升和型號研制的成敗。碳纖維復合材料的發(fā)展推動了航天整體技術的發(fā)展。碳纖維復合材料主要應用于導彈彈頭、彈體箭體和發(fā)動機殼體的結構部件和衛(wèi)星主體結構承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發(fā)動機噴管喉襯及耐燒蝕部件等重要防熱材料，在美國侏儒、民兵、三叉戟等戰(zhàn)略導彈上均已成熟應用，美國、日本、法國的固體發(fā)動機殼體主要采用碳纖維復合材料，如美國三叉戟-2 導彈、戰(zhàn)斧式巡航導彈、大力神一4 火箭、法國的阿里安一2 火箭改型、日本的M-5火箭等發(fā)動機殼體，其中使用量最大的是美國赫克里斯公司生產(chǎn)的抗拉強度為5.3GPa 的IM-7 碳纖維，性能最高的是東麗T-800 纖維，抗拉強度5.65Gpa、楊氏模量300GPa。由于粘膠基原絲的生產(chǎn)由于財經(jīng)及環(huán)保危機的加劇，航天級粘膠碳絲原料的來源一直是美國及西歐的軍火商們深感棘手的惱頭問題。［4］五年前，法國SAFRAN 公司與美國WaterburyFiberCote Industries 公司以有充分來源的非航天級粘膠原絲新原料開發(fā)成功名為RaycarbC2TM 的新型纖維素碳布，并經(jīng)受了美軍方包括加工、熱/結構性質(zhì)及火焰沖刷試驗在內(nèi)的全部資格測試，在固體發(fā)動機的全部靜態(tài)試驗中都證明該替代品合格，2004 年十一月，該碳布/酚醛復合材料已用于阿里安娜V Flight164上成功飛行。衛(wèi)星、航天飛機及載人飛船高模量碳纖維質(zhì)輕，剛性，尺寸穩(wěn)定性和導熱性好，因此很早就應用于人造衛(wèi)星結構體、太陽能電池板和天線中?，F(xiàn)今的人造衛(wèi)星上的展開式太陽能電池板多采用碳纖維復合材料制作，而太空站和天地往返運輸系統(tǒng)上的一些關鍵部件也往往采用碳纖維復合材料作為主要材料。

碳纖維增強樹脂基復合材料被作航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等。美國發(fā)現(xiàn)號航天飛機的熱瓦，十分關鍵，可以保證其能安全地重復飛行。一共有8 種：低溫重復使用表面絕熱材料LRSI；高溫重復使用表面絕熱材料HRSI；柔性重復使用表面絕熱材料FRSI；高級柔性重復使用表面絕熱材料AFRI；高溫耐熔纖維復合材料FRIC―HRSI；增強碳/碳材料RCC；金屬；二氧化硅織物。其中增強碳/碳材料RCC，最為要的，它可以使航天飛機承受大氣層所經(jīng)受的最高溫度1700℃。隨著科學技術的進步，碳纖維的產(chǎn)量不斷增大，質(zhì)量逐漸提高，而生產(chǎn)成本穩(wěn)步下降。各種性能優(yōu)異的碳纖維復合材料將會越來越多地出現(xiàn)在航空航天中,為世界航空航天技術的發(fā)展作出更大的貢獻。

第四篇：先進復合材料在航空航天中的應用及發(fā)展

先進復合材料在航空航天中的應用

及發(fā)展

胡軍 材料08A-1 08108010205 2011年12月14

日 先進復合材料在在航空領域的應用

摘要：介紹了材料的發(fā)展史，并且介紹了材料的分類，主要介紹了復合材料的現(xiàn)狀。復合材料在航空航天領域的應用。最后介紹了復合材料在航空航天的發(fā)展。航空領域應用的新進展，先進復合材料在航空航天領域的應用。關鍵詞： 復合材料；航空航天；國防；先進復合材料

1.1 前言

材料是人們生活和生產(chǎn)必須的物質(zhì)基礎。也是人類進化的重要里程碑。材料科學主要研究材料的成分、分子或原子機構、微觀及宏觀組織以及加工制造工藝和性能之間的關系。它是一門邊緣新科學，主要一固態(tài)物理和固態(tài)化學、晶體學、熱力學等位基礎，結合冶金化工及各種高新科技術來探討材料內(nèi)在規(guī)律和應用。材料是人類用來制造機器、構件、器件和其他產(chǎn)品的物質(zhì)。但并不是所有物質(zhì)都可稱為材料，如燃料和化工原料、工業(yè)化學品、食物和藥品等，一般都不算作材料。

1.2材料可按多種方法進行分類。

按物理化學屬性分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。按用途分為電子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。

實際應用中又常分為結構材料和功能材料。結構材料是以力學性質(zhì)為基礎，用以制造以受力為主的構件。結構材料也有物理性質(zhì)或化學性質(zhì)的要求，如光澤、熱導率、抗輻照能力、抗氧化、抗腐蝕能力等，根據(jù)材料用途不同，對性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質(zhì)的物理、化學性質(zhì)或生物現(xiàn)象等對外界變化產(chǎn)生的不同反應而制成的一類材料。如半導體材料、超導材料、光電子材料、磁性材料等。

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。20世紀70年代，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。80年代，隨著高技術群的興起，又把新材料與信息技術、生物技術并列作為新技術革命的重要標志?，F(xiàn)代社會，材料已成為國民經(jīng)濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。

1.3材料的發(fā)展簡史

人類社會的發(fā)展歷程，是以材料為主要標志的。100萬年以前，原始人以石頭作為工具，稱舊石器時代。1萬年以前，人類對石器進行加工，使之成為器皿和精致的工具，從而進入新石器時代。新石器時代后期，出現(xiàn)了利用粘土燒制的陶器。人類在尋找石器過程中認識了礦石，并在燒陶生產(chǎn)中發(fā)展了冶銅術，開創(chuàng)了冶金技術。公元前5000年，人類進入青銅器時代。公元前1200年，人類開始使用鑄鐵，從而進入了鐵器時代。隨著技術的進步，又發(fā)展了鋼的制造技術。18世紀，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，成為產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容和物質(zhì)基礎。19世紀中葉，現(xiàn)代平爐和轉爐煉鋼技術的出現(xiàn)，使人類真正進入了鋼鐵時代。與此同時，銅、鉛、鋅也大量得到應用，鋁、鎂、鈦等金屬相繼問世并得到應用。直到20世紀中葉，金屬材料在材料工業(yè)中一直占有主導地位。

20世紀中葉以后，科學技術迅猛發(fā)展，作為發(fā)明之母和產(chǎn)業(yè)糧食的新材料又出現(xiàn)了劃時代的變化。首先是人工合成高分子材料問世，并得到廣泛應用。先后出現(xiàn)尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及維尼綸、合成橡膠、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。僅半個世紀時間，高分子材料已與有上千年歷史的金屬材料并駕齊驅(qū)，并在年產(chǎn)量的體積上已超過了鋼，成為國民經(jīng)濟、國防尖端科學和高科技領域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的發(fā)展。陶瓷是人類最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。50年代，合成化工原料和特殊制備工藝的發(fā)展，使陶瓷材料產(chǎn)生了一個飛躍，出現(xiàn)了從傳統(tǒng)陶瓷向先進陶瓷的轉變，許多新型功能陶瓷形成了產(chǎn)業(yè)，滿足了電力、電子技術和航天技術的發(fā)展和需要。

結構材料的發(fā)展，推動了功能材料的進步。20世紀初，開始對半導體材料進行研究。50年代，制備出鍺單晶，后又制備出硅單晶和化合物半導體等，使電子技術領域由電子管發(fā)展到晶體管、集成電路、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。半導體材料的應用和發(fā)展，使人類社會進入了信息時代。

現(xiàn)代材料科學技術的發(fā)展，促進了金屬、非金屬無機材料和高分子材料之間的密切聯(lián)系，從而出現(xiàn)了一個新的材料領域——復合材料。復合材料以一種材料為基體，另一種或幾種材料為增強體，可獲得比單一材料更優(yōu)越的性能。復合材料作為高性能的結構材料和功能材料，不僅用于航空航天領域，而且在現(xiàn)代民用工業(yè)、能源技術和信息技術方面不斷擴大應用。

1.4復合材料的發(fā)展和應用

復合材料(Composite materials)，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。

復合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。

復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。由于復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。

復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設，如衛(wèi)浴設備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業(yè)是復合材料最大的用戶，今后發(fā)展?jié)摿θ允志薮?，目前還有許多新技術正在開發(fā)中。例如，為降低發(fā)動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動機向高速、增壓、高負荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動機活塞、連桿、軸瓦已開始應用金屬基復合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復合材料將被應用到汽車制造業(yè)中。與此同時，隨著近年來人們對環(huán)保問題的日益重視，高分子復合材料取代木材方面的應用也得到了進一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產(chǎn)品；而可降解復合材料也成為國內(nèi)外開發(fā)研究的重點。

1.4．1先進復合材料在航空航天領域的應用

碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分優(yōu)異的力學性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強度和最高比模量。特別是在2000℃以上高溫惰性環(huán)境中，是唯一強度不下降的物質(zhì)。此外，其還兼具其他多種得天獨厚的優(yōu)良性能：低密度、高升華熱、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、高震動衰減性、低熱膨脹系數(shù)、導電導熱性、電磁屏蔽性、紡織加工性均優(yōu)良等。因此，碳纖維復合材料也同樣具有其它復合材料無法比擬的優(yōu)良性能，被應用于軍事及民用工業(yè)的各個領域，在航空航天領域的光輝業(yè)績，尤為世人所矚目。2005 年世界碳纖維的耗用量已超過2 萬噸，圖1 為21 世紀前十年碳纖維需求量的統(tǒng)計預測情況。航空航天領域的碳纖維需求情況見表1 所示，約占總消耗量的20％左右。

圖 1: 世界碳纖維需求量(單位:噸)可維的需求量有所減少，2002 年約減少20%，2003 年則減少約9 %。2003 年以后航空航天領域?qū)μ祭w維的需求出現(xiàn)快速增長，2006 年與2001 年相比將增長約40 %，2008 年將增長約76 %，到2010 年和2001 年相比預計增長超過100%。本文將介紹碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）在航空航天領域應用的新進展［2］

表 1: 世界碳纖維按應用領域需求的統(tǒng)計和預測

1.4.2 航空領域應用的新進展

T300 碳纖維/樹脂基復合材料已經(jīng)在飛行器上廣泛作為結構材料使用，目前應用較多的為拉伸強度達到5.5GPa，斷裂應變高出T300 碳纖維的30％的高強度中模量碳纖維T800H纖維。軍品碳纖維增強樹脂基復合材料是生產(chǎn)武器裝備的重要材料。在戰(zhàn)斗機和直升機上，碳纖維復合材料應用于戰(zhàn)機主結構、次結構件和戰(zhàn)機特殊部位的特種功能部件。國外將碳纖維/環(huán)氧和碳纖維/雙馬復合材料應用在戰(zhàn)機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能，數(shù)據(jù)顯示采用復合材料結構的前機身段，可比金屬結構減輕質(zhì)量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固件61.3%；復合材料垂直安定面可減輕質(zhì)量32.24%。用軍機戰(zhàn)術技術性能的重要指標，結構重量系數(shù)來衡量，國外第四代軍機的結構重量系數(shù)已達到27～28%。未來以F-22為目標的背景機復合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機和無人駕駛飛機，已實現(xiàn)了結構的復合材料化。目前主要使用的是T300級和T700級小絲束碳纖維增強的復合材料。

圖 2: 美國F－22 軍用飛機

民品

在民用領域，555座的世界最大飛機A380由于CFRP的大量使用，創(chuàng)造了飛行史上的奇跡。飛機25%重量的部件由復合材料制造，其中22%為碳纖維增強塑料(CFRP), 3%為首次用于民用飛機的GLARE纖維－金屬板（鋁合金和玻璃纖維超混雜復合材料的層狀結構）。這些部件包括：減速板、垂直和水平穩(wěn)定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。繼A340對碳纖維龍骨梁和復合材料后密封框――復合材料用于飛機的密封禁區(qū)發(fā)起挑戰(zhàn)后，A380又一次對連接機翼與機身主體結構中央翼盒新的禁區(qū)發(fā)起了成功挑戰(zhàn)［3］。僅此一項就比最先進的鋁合金材料減輕重量1.5噸。由于CFRP的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損。從而大大減少了油耗和排放，燃油的經(jīng)濟性比其直接競爭機型要低13%左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率最高飛機的低15%--20%，成為第一個每乘客每百公里耗油少于三升的遠程客機。

圖 3: 空中客車A-380 1.4.3 航天領域的新進展

火箭、導彈以高性能碳(石墨)纖維復合材料為典型代表的先進復合材料作為結構、功能或結構/功能一體化構件材料，在導彈、運載火箭和衛(wèi)星飛行器上也發(fā)揮著不可替代的作用。其應用水平和規(guī)模已關系到武器裝備的跨越式提升和型號研制的成敗。碳纖維復合材料的發(fā)展推動了航天整體技術的發(fā)展。碳纖維復合材料主要應用于導彈彈頭、彈體箭體和發(fā)動機殼體的結構部件和衛(wèi)星主體結構承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發(fā)動機噴管喉襯及耐燒蝕部件等重要防熱材料，在美國侏儒、民兵、三叉戟等戰(zhàn)略導彈上均已成熟應用，美國、日本、法國的固體發(fā)動機殼體主要采用碳纖維復合材料，如美國三叉戟-2 導彈、戰(zhàn)斧式巡航導彈、大力神一4 火箭、法國的阿里安一2 火箭改型、日本的M-5火箭等發(fā)動機殼體，其中使用量最大的是美國赫克里斯公司生產(chǎn)的抗拉強度為5.3GPa 的IM-7 碳纖維，性能最高的是東麗T-800 纖維，抗拉強度5.65Gpa、楊氏模量300GPa。由于粘膠基原絲的生產(chǎn)由于財經(jīng)及環(huán)保危機的加劇，航天級粘膠碳絲原料的來源一

［4］直是美國及西歐的軍火商們深感棘手的惱頭問題。五年前，法國SAFRAN 公司與美國WaterburyFiberCote Industries 公司以有充分來源的非航天級粘膠原絲新原料開發(fā)成功名為RaycarbC2TM 的新型纖維素碳布，并經(jīng)受了美軍方包括加工、熱/結構性質(zhì)及火焰沖刷試驗在內(nèi)的全部資格測試，在固體發(fā)動機的全部靜態(tài)試驗中都證明該替代品合格，2004 年十一月，該碳布/酚醛復合材料已用于阿里安娜V Flight164上成功飛行。

圖 4: 法國阿里安娜V 型導彈

衛(wèi)星、航天飛機及載人飛船高模量碳纖維質(zhì)輕，剛性，尺寸穩(wěn)定性和導熱性好，因此很早就應用于人造衛(wèi)星結構體、太陽能電池板和天線中?，F(xiàn)今的人造衛(wèi)星上的展開式太陽能電池板多采用碳纖維復合材料制作，而太空站和天地往返運輸系統(tǒng)上的一些關鍵部件也往往采用碳纖維復合材料作為主要材料。

碳纖維增強樹脂基復合材料被作航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等。美國發(fā)現(xiàn)號航天飛機的熱瓦，十分關鍵，可以保證其能安全地重復飛行。一共有8 種：低溫重復使用表面絕熱材料LRSI；高溫重復使用表面絕熱材料HRSI；柔性重復使用表面絕熱材料FRSI；高級柔性重復使用表面絕熱材料AFRI；高溫耐熔纖維復合材料FRIC―HRSI；增強碳/碳材料RCC；金屬；二氧化硅織物。其中增強碳/碳材料RCC，最為要的，它可以使航天飛機承受大氣層所經(jīng)受的最高溫度1700℃。［5］

隨著科學技術的進步，碳纖維的產(chǎn)量不斷增大，質(zhì)量逐漸提高，而生產(chǎn)成本穩(wěn)步下降。各種性能優(yōu)異的碳纖維復合材料將會越來越多地出現(xiàn)在航空航天中,為世界航空航天技術的發(fā)展作出更大的貢獻。

另外，納米技術逐漸引起人們的關注，納米復合材料的研究開發(fā)也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時，大大提高了材料的綜合性能。

先進復合材料共固化技術在某型機上自90年代初得到應用以來，已生產(chǎn)了350余架次，實現(xiàn)了工程化的目標。通過原材料的開發(fā)、輔助材料的國產(chǎn)化研究、共固化工藝的優(yōu)化、性能測試項目的優(yōu)化和修補技術的研究，將一套完整共固化技術應用于批生產(chǎn)的同時，又獲得了極大的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)了低成本共固化技術的工程化應用。通過該材料的工程化應用，我們可得出以下的結論：

（1）金屬-橡膠組合式芯模用于盒形結構受力部件的共固化成型，能夠?qū)崿F(xiàn)均壓效果，并能有效降低制造成本；

（2）國產(chǎn)化輔助材料的應用，能夠滿足復合材料制造使用工藝要求，降低工程化制造成本；

（3）工程化生產(chǎn)的隨爐試樣（片）性能跟蹤測試項目，可以進行優(yōu)化選擇，以降低生產(chǎn)成本；

（4）工程化生產(chǎn)的同時，開展有針對性的修補技術研究，既可解決生產(chǎn)過程中超差品的修補問題，也是產(chǎn)品使用過程的有效保障，技術經(jīng)濟及社會效果兼得；

（5）降低熱壓罐成型法制造成本的其他有益研究還有待不斷開發(fā)。

結語

先進復合材料以其比強度比模量高 耐高溫性能好、耐疲勞性能優(yōu)越等獨特優(yōu)點獲得廣泛應用、和迅速發(fā)展.真空袋成型，熱壓罐成型技術的成熟發(fā)展更是極大的推動了先進復合材料的發(fā)展,目前較多的采用熱壓罐成型工藝設備，存在成本過高，制件尺寸受限制，真空袋成型工藝由于具靈活簡便高效等特點得到了廣泛的應用。通過對熱壓罐成型工藝原理研究，提出了幾種降低成本及改進工藝性能的方案，先進復合材料共固化技術成型的產(chǎn)品，從材料開發(fā)、工藝優(yōu)化、性能檢測到售后服務等環(huán)節(jié)，以低成本為主導線，詳細描述了一個熱壓罐共固化技術工程化的范例，達到了在熱壓罐成型方面明顯降低制造成本的目的。

第五篇：復合材料與航空航天

復合材料與航空航天

1.復合材料的定義與分類方法

1.1復合材料的定義

復合材料是由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料等兩種或兩種以上的材料經(jīng)過復合工藝而制備的多相材料，各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料由連續(xù)相的基體和被基體包容的相增強體組成?；w材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、石墨、橡膠、陶瓷、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、石棉纖維、碳化硅纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。復合材料已經(jīng)發(fā)展成為與金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料并列的四大材料體系之一,復合材料是指由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料,它既能保留原有組分材料的主要特色,又通過材料設計使各組分的性能互相補充并彼此關聯(lián)與協(xié)同,從而獲得原組分材料無法比擬的優(yōu)越性能,與一般材料的簡單混合有本質(zhì)的區(qū)別[1]。

復合材料的廣義定義：復合材料是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復合形成的新型材料。一般由基體組元與增強體或功能組元所組成。復合材料（CompositeMaterials)。

復合材料的狹義定義：（通常研究的內(nèi)容）用纖維增強樹脂、金屬、無機非金屬材料所得的多相固體材料?；w相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強相材料固結成一體，并起傳遞應力的作用；增強相起承受應力（結構復合材料）和顯示功能（功能復合材料）的作用。復合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過復合效應使各組分的性能互相補充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。1.2復合材料的分類方法

1.按增強體的幾何形態(tài)分類

(1)連續(xù)纖維增強復合材料:包括單向纖維(一維)、無緯布疊層、二維織物層合、多向編織復合材料和混雜復合材料。

(2)短纖維復合材料:晶須、短切纖維無規(guī)則地分散在基體材料中制成的復合材料。

(3)薄片增強復合材料:增強體是長與寬尺寸相近的薄片，以平面二維為增強材料與基體復合而成的復合材料。

2.按增強纖維種類分類

(1)玻璃纖維復合材料;

(2)碳纖維復合材料;

(3)有機纖維(芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、高強度聚烯烴纖維等)復合材料;

(4)金屬纖維(如鎢纖維、不銹鋼絲等)復合材料;

(5)陶瓷纖維(如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等)復合材料。

3.按基體材料分類

(1)聚合物基復合材料:以有機聚合物(主要為熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠)為基體制成的復合材料。

(2)金屬基復合材料:以金屬為基體制成的復合材料。如鋁基復合材料、欽基復合材料、和銅基復合材料等。

(3)無機非金屬基復合材料:以陶瓷材料(包括玻璃、水泥和碳）為基體制成的復合材料。

4.按材料使用功能分類

(1)結構復合材料:主要是作為支撐力結構使用的復合材料，它基本上是由能承受載荷的增強體組元與能連接增強體成為整體承載，同時又起分配與傳遞載荷作用的基體組元構成。

(2)功能復合材料:具有某種特殊的物理或化學特性，如聲、光、電、熱、磁、耐腐蝕、零膨脹、阻尼、摩擦或換能等。

此外，還有同質(zhì)復合材料和異質(zhì)復合材料。增強材料和基體材料屬于同種物質(zhì)的復合材料為同質(zhì)復合材料，如碳/碳復合材料。異質(zhì)復合材料如前面和以后提及的復合材料多屬此類。

2.復合材料在航空領域的重要作用與意義

先進復合材料的應用已經(jīng)成為評價航空航天器水平的重要標準，同時也是提高航空航天器結構先進性的重要物質(zhì)基礎和先導技術。[4]山于我國先進復合材料的應用水平和國外發(fā)達國家還存在一定的差距，但是我國已經(jīng)進行大量投入來強化先進復合材料方面的研究，其發(fā)展前景良好。先進復合材料的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下四個方面: 1智能化

智能型先進復合材料和結構的研究，能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，智能型先進復合材料在航空航天器外表的應用:在未來航空器表面增加各種傳感器，能夠?qū)χ車h(huán)境進行實時、全面、智能的檢測，同時為通訊系統(tǒng)、電子戰(zhàn)以及雷達系統(tǒng)提供瞬時模態(tài)，以此保證航空器能夠安全、穩(wěn)定地飛行。

2多功能化

在減小航空航天器體積的基礎上，為了提高航空航天器的突防能力，許多結構部件需要具備多種功能，多功能先進復合材料的應用能夠賦予航空航天器新的功能，現(xiàn)階段，多功能先進復合材料的研究已經(jīng)從雙功能型向三功能型方向轉變。

3質(zhì)量輕、性能高

目前，我國先進復合材料能夠減輕航空航天器的質(zhì)量占總重的20%左右，和國外25%以上的減重效率還存在一定的差距。導致該種現(xiàn)狀的原因是我國先進復合材料的整體性能較低，并且結構的整體性相對較差。因此，在未來的發(fā)展過程中，應該加強對復合材料強度、韌性以及整體性等方面的研究，研發(fā)整體性好、強度高和韌性高的先進復合材料，同時使復合材料的減重率超過25%0 4低成本

成本較高是限制先進復合材料在航空航天領域應用和發(fā)展的主要原因之一，為了解決該問題，應該對先進復合材料的制造工藝進行研究，采用科學的制造工藝進行先進復合材料結構、尺寸以及形狀的加工和制造，同時采用先進的質(zhì)量控制技術、自動化技術、機械化技術等，提高先進復合材料的生產(chǎn)效率，提高其成品率，以此降低先進復合材料的成本。[2] 自從先進復合材料投入應用以來，有三件值得一提的成果。第一件是美國全部用碳纖維復合材料制成一架八座商用飛機——里爾芳2100號，并試飛成功，這架飛機僅重567kg，它以結構小巧重量輕而稱奇于世。第二件是采用大量先進復合材料制成的哥倫比亞號航天飛機，這架航天飛機用碳纖維/環(huán)氧樹脂制作長18.2m、寬4.6m的主貨艙門，用凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂制造各種壓力容器，用硼/鋁復合材料制造主機身隔框和翼梁，用碳/碳復合材料制造發(fā)動機的噴管和喉襯，發(fā)動機組的傳力架全用硼纖維增強鈦合金復合材料制成，被覆在整個機身上的防熱瓦片是耐高溫的陶瓷基復合材料。第三件是在波音-767大型客機上使用了先進復合材料作為主承力結構，這架可載80人的客運飛機使用碳纖維、有機纖維、玻璃纖維增強樹脂以及各種混雜纖維的復合材料制造了機翼前緣、壓力容器、引擎罩等構件，不僅使飛機結構重量減輕，還提高了飛機的各種飛行性能。

新型航空航天器的先進性標志之一是結構的先進性,而先進復合材料是實現(xiàn)結構先進性的重要物質(zhì)基礎和先導技術。我國將成為世界上先進復合材料的最大用戶,卻面臨著國外的技術封鎖及我國技術貯備的嚴重不足。因此,實現(xiàn)我國先進復合材料研發(fā)和應用的可持續(xù)發(fā)展,必須堅持自主創(chuàng)新,解決原材料問題,設計應用中的理論問題,低成本技術問題,政策支持問題。

參考文獻

[1] 師昌緒.材料大詞典[M].北京:化學工業(yè)出版社, 1994: 2 8.[2] 先進復合材料在航空航天領域的應用，中國高新技術企業(yè)，2016年第13期 [3] 先進復合材料與航空航天，復合材料學報，2007年2月第1期

[4] 杜善義,冷勁松,王殿富.智能材料系統(tǒng)與結構[ M].北京:科學出版社, 2001.