航空航天复合材料发展现状及前景-航天器环境工程

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1、万方数据航天器环境工程第30卷第4期352sPACECRAFTENvIRONMENTENGINEERING2013年8月航空航天复合材料发展现状及前景唐见茂(中国材料研究学会，北京100048)摘要：文章通过空客A．350xwB飞机和波音公司B．787飞机复合材料之战的实际案例，介绍了航空航天应用复合材料，特别是碳纤维增强树脂基复合材料(cFRP)的发展现状、特点以及航空航天复合材料结构一体化综合等新技术，并对未来发展前景进行讨论。关键词：航空航天应用；先进复合材料；碳纤维；一体化智能结构；综述中图分类号：TB334：v2

2、58+．3文献标志码：A文章编号：1673—1379(2013)04—0352一08DoI：10．3969／i．issn．1673-1379．2013．04．0030引言复合化是当代材料技术发展的重要趋势之一，而大量采用高性能复合材料是航空航天飞行器发展的重要方向。其中在民用飞机领域，应用发展非常迅速。2013年6月14日，空客研制的新型超宽体A．350xwB客机成功首飞，这是继波音的B一787“梦想”飞机之后，全球航空业界的又一个亮点。A一350xwB和B一787飞机的复合材料用量分别达到52％和50％，这标志着航空航天

3、复合材料发展新的里程碑，表明新的发展时期已经拉开序幕。在航天领域，高性能复合材料的用量也在迅速扩大，各种航天飞行器的重要结构件(如运载火箭和导弹壳体，航天飞机与宇宙飞船部件，卫星天线，天文望远镜等)正在越来越多地采用复合材料[1】。复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异构的材料通过专门成型工艺复合而成的一种高性能的新材料体系，复合的目的是要改善材料的性能，或使材料能满足某种特殊的物理性能(如光、电、热、声、磁等)要求。复合材料按使用要求大致分为结构复合材料和功能复合材料，在航空航天领域，目前和今后20～30年的发展主流是

4、用于制造空天飞行器结构件的碳纤维增强树脂基复合材料(简称cFI冲)，在此基础上发展结构／功能一体化和智能化结构复合材料，以满足越来越先进的空天飞行器的要求瞄J。碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8um，是20世纪60年代由美国首先开发并形成规模产业的一种具有全新概念的新材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维两大类，前者是用一种高分子合成纤维_景丙烯腈纤维的原丝，或称之为前驱体(precursor)，通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。由于高温碳化，使纤维中的氢、氧等元素得以排出

5、，成为一种含碳量高于90％的纯碳材料，而本身质量大为减小；而且由于碳化过程中对纤维进行沿轴向的预拉伸处理，使得碳分子沿轴向进行取向排列，大幅提高了碳纤维的轴向拉伸强度，成为一种轻质、高强、高模量、化学性能稳定的高性能纤维材料。沥青基碳纤维的制备原理与聚丙烯腈基碳纤维的大致相同，沥青基碳纤维还可以继续进行石墨化处理，使碳含量超过98％，因而具有更高的弹性模量。用它制造的复合材料，具有非常高的尺寸稳定性，例如卫星的复合材料太阳能电池板及反射天线，在太空数百摄氏度的高低温温差下，仍能保持尺寸基本不变。CFI冲最大的优点是轻质、高

6、强，航空航天高端应用仍是其主要发展方向，用CFRP制造飞机的结构件，同铝合金相比，减重效果可达20％～40％，体现出巨大的节能效益。现在CFRP应用已迅速扩收稿日期：2013．07．09；修回日期：2013．07．29基金项目：中国工程院重大咨询项目“材料延寿与可持续发展战略研究”(编号：zD20)作者简介：唐见茂(1944一)，男，教授级高级工程师，从事cFRP研发30多年，中国材料研究学会常务理事、咨询部主任兼咨询专家，参与我国新材料产业化规划定位研究及有关政府职能部门的决策咨询服务。E．mail：chunron扣62

7、5@sina’com。万方数据第4期唐见茂：航空航天复合材料发展现状及前景353大到能源、交通、海洋、机械等领域。业内专家分析，未来20～30年，航空复合材料将迎来新的发展时期，CFRP的大范围应用，将带来航空产业链革命性的变革，包括设计理念的创新、设计师的知识更新和设计团组的重组，航空产品供应链的战略性改变，以及对航空维修业提出前所未有的挑战【3】。从材料技术的发展来看，有人认为，20世纪是硅材料的世纪，而2l世纪将是碳材料的世纪，其中碳纤维及其复合材料占有重要一席。1航空应用1．1军机应用20世纪60年代，美国首先将C

8、FRP用在军机上，用于舱门、口盖、整流罩以及副翼、方向舵等受力较小或非承力部件。80年代初，发展到垂尾、平尾等尾翼一级的次承力部件，如F．15、F．16、F．18、幻影2000和幻影4000等均采用了复合材料尾翼，此时复合材料用量有限。到80年代末，美国推出的第四代战斗机F．22、F．35JSF上，复合