复合材料与航空航天
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复合材料与航空航天
1. 复合材料的定义与分类方法 1.1 复合材料的定义
复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成。基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、石墨、橡胶、陶瓷、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、石棉纤维、碳化硅纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一,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[1] 。
复合材料的广义定义：复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。
一般由基体组元与增强体或功能组元所组成。复合材料（CompositeMaterials)。
复合材料的狭义定义：（通常研究的内容）用纤维增强树脂、金属、无机非金属材料所得的多相固体材料。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。
1.2 复合材料的分类方法
复合材料常见的分类方法有以下几种。
1.按增强体的几何形态分类
(1)连续纤维增强复合材料:包括单向纤维(一维)、无纬布叠层、二维织物层合、多向编织复合材料和混杂复合材料。
(2)短纤维复合材料:晶须、短切纤维无规则地分散在基体材料中制成的复合材料。
(3)薄片增强复合材料:增强体是长与宽尺寸相近的薄片，以平面二维为增强材料与基体复合而成的复合材料。
2.按增强纤维种类分类
(1)玻璃纤维复合材料;
(2)碳纤维复合材料;
(3)有机纤维(芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维等)复合材料;
(4)金属纤维(如钨纤维、不锈钢丝等)复合材料;
(5)陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等)复合材料。
3.按基体材料分类
(1)聚合物基复合材料:以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶)为基体制成的复合材料。
(2)金属基复合材料:以金属为基体制成的复合材料。如铝基复合材料、钦基复合材料、和铜基复合材料等。
(3)无机非金属基复合材料:以陶瓷材料(包括玻璃、水泥和碳）为基体制成的复合材料。
4.按材料使用功能分类
(1)结构复合材料:主要是作为支撑力结构使用的复合材料，它基本上是由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体成为整体承载，同时又起分配与传递载荷作用的基体组元构成。
(2)功能复合材料:具有某种特殊的物理或化学特性，如声、光、电、热、磁、耐腐蚀、零膨胀、阻尼、摩擦或换能等。
此外，还有同质复合材料和异质复合材料。增强材料和基体材料属于同种物质的复合材料为同质复合材料，如碳/碳复合材料。异质复合材料如前面和以后提及的复合材料多属此类。
2. 复合材料在航空领域的重要作用与意义 先进复合材料的应用已经成为评价航空航天器水平的重要标准，同时也是提高航空航天器结构先进性的重要物质基础和先导技术。[4]山于我国先进复合材料的应用水平和国外发达国家还存在一定的差距，但是我国已经进行大量投入来强化先进复合材料方面的研究，其发展前景良好。先进复合材料的优点主要表现在以下四个方面: 1 智能化
智能型先进复合材料和结构的研究，能够创造巨大的经济效益和社会效益，智能型先进复合材料在航空航天器外表的应用:在未来航空器表面增加各种传感
器，能够对周围环境进行实时、全面、智能的检测，同时为通讯系统、电子战以及雷达系统提供瞬时模态，以此保证航空器能够安全、稳定地飞行。
2 多功能化
在减小航空航天器体积的基础上，为了提高航空航天器的突防能力，许多结构部件需要具备多种功能，多功能先进复合材料的应用能够赋予航空航天器新的功能，现阶段，多功能先进复合材料的研究已经从双功能型向三功能型方向转变。
3 质量轻、性能高
目前，我国先进复合材料能够减轻航空航天器的质量占总重的 20%左右，和国外 25%以上的减重效率还存在一定的差距。导致该种现状的原因是我国先进复合材料的整体性能较低，并且结构的整体性相对较差。因此，在未来的发展过程中，应该加强对复合材料强度、韧性以及整体性等方面的研究，研发整体性好、强度高和韧性高的先进复合材料，同时使复合材料的减重率超过 25%0 4 低成本
成本较高是限制先进复合材料在航空航天领域应用和发展的主要原因之一，为了解决该问题，应该对先进复合材料的制造工艺进行研究，采用科学的制造工艺进行先进复合材料结构、尺寸以及形状的加工和制造，同时采用先进的质量控制技术、自动化技术、机械化技术等，提高先进复合材料的生产效率，提高其成品率，以此降低先进复合材料的成本。[2] 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，这架飞机仅重 567kg，它以结构小巧重量轻而称奇于世。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，用硼/铝复合材料制造主机身隔框和翼梁，用碳/碳复合材料制造发动机的喷管和喉衬，发动机组的传力架全用硼纤维增强钛合金复合材料制成，被覆在整个机身上的防热瓦片是耐高温的陶瓷基复合材料。第三件是在波音-767 大型客机上使用了先进复合材料作为主承力结构，这架可载 80 人的客运飞机使用碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树脂以及各种混杂纤维的复合材料制造了机翼前缘、压力容器、引擎罩等构件，不仅使飞机结构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。
新型航空航天器的先进性标志之一是结构的先进性,而先进复合材料是实现结构先进性的重要物质基础和先导技术。我国将成为世界上先进复合材料的最大用户,却面临着国外的技术封锁及我国技术贮备的严重不足。因此,实现我国先进
复合材料研发和应用的可持续发展,必须坚持自主创新,解决原材料问题,设计应用中的理论问题,低成本技术问题,政策支持问题。
参考文献 [1] 师昌绪.材料大词典[M].北京:化学工业出版社, 1994: 2 8. [2] 先进复合材料在航空航天领域的应用，中国高新技术企业，2016 年第 13 期 [3] 先进复合材料与航空航天，复合材料学报，2007 年 2 月第 1 期 [4] 杜善义,冷劲松,王殿富.智能材料系统与结构[ M].北京:科学出版社, 2001.
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