复合材料-论文

航空航天复合材料现状

摘要：简述了树脂基复合材料的发展史；综述了先进复合材料工业上通常使用环氧树脂的品种、性能和特性；复合材料使用的增强纤维；国防、军工及航空航天用树脂基复合材料；用于固体发动机壳体的树脂基体；用于固体发动机喷管的耐热树脂基体；火箭发动机壳体用韧性环氧树脂基体；树脂基结构复合材料；航天器用外热防护涂层材料；飞机结构受力构件用的高性能环氧树脂复合材料；碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天中的其它应用。

关键词：树脂基体；复合材料；国防；军工；航空航天；结构复合材料

复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。今天，一个国家或地区的复合材料工业水平，已成为衡量其科技与经济实力的标志之一。先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争优势的源泉。到2020年，只有复合材料才有潜力获得20-25%的性能提升。

环氧树脂是优良的反应固化型性树脂。在纤维增强复合材料领域中，环氧树脂大显身手。它与高性能纤维:PAN基碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维、S或E玻璃纤维复合，便成为不可替代的重要的基体材料和结构材料，广泛运用在电子电力、航天航空、运动器材、建筑补强、压力管雄、化工防腐等六个领域。本文重点论述航空航天先进树脂基体复合材料的国内外现状及中国的技术软肋问题

1 树脂基复合材料的发展史

树脂基复合材料也称纤维增强塑料，是技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业，在我国不科学地俗称为玻璃钢。

树脂基复合材料于1932年在美国出现，1940年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的雷达罩。1946年纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升飞机的螺旋桨。1963年前后在美、法、日等国先后开发了高产量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产线，使复合材料制品形成了复合材料课程论文 —— 航空航天先进复合材料现状

- 1 - 规模化生产。拉挤成型工艺的研究始于50年代，60年代中期实现了连续化生产，在70年代拉挤技术又有了重大的突破。80年代又发展了离心浇铸成型法，英国曾使用这种工艺生产10m长的复合材料电线杆、大口径受外压的管道等。从上述可知，新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展。

进入20世纪70年代，对复合材料的研究发迹了仅仅采用玻璃纤维增强树脂的局面，人们一方面不断开辟玻纤-树脂复合材料的新用途，同时也开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料。

2 先进复合材料工业上通常使用环氧树脂的品种、性能和特性

复合材料工业上使用量最大的环氧树脂品种是缩水甘油醚类环氧树脂，而其中又以双酚A型环氧树脂为主，双酚F型环氧树脂（DGEBF）和双酚S型环氧树脂 。其次是缩水甘油胺类环氧树脂和缩水甘油酯类环氧树脂。其可单独 或者与通用E型树脂共混，供作高性能复合材料（ACM）。

缩水甘油胺类环氧树脂的优点是多官能度、环氧当量高，交联密度大，耐热性显著提高。目前国内外已利用缩水甘油胺环氧树脂优越的粘接性和耐热性，来制造碳纤维增强的复合材料（CFRP）用于飞机二次结构材料。

3 复合材料使用的增强纤维

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。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。

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。

碳纤维的开发始于二十世纪六十年代,起初用于耐烧蚀喉衬、扩张段材料，后来复合材料课程论文 —— 航空航天先进复合材料现状

- 2 - 逐渐在其它结构件上应用。自八十年代以来，碳纤维发展较大：① 性能不断提高；七、八十年代主要以3000MPa的碳纤维为主。九十年代初普遍使用的IM7、IM8纤维强度达到5300MPa。九十年代末T1000纤维强度达到7000MPa，并已开始工程应用。② 品种不断增多。不同种类、不同性能的碳纤维可满足不同需要，为碳纤维复合材料的广泛应用提供了坚实基础。

4 国防、军工及航空航天用树脂基复合材料

据有关资料报导，航天飞行器的质量每减少1干克，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。处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。

4.1 国内外发展现状及趋势

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：① 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。② 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。③ 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，即向多功能化的方向发展。

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。 复合材料课程论文 —— 航空航天先进复合材料现状

- 3 - 4.2 用于固体发动机壳体的树脂基体

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配方就以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。

4.3 用于固体发动机喷管的耐热树脂基体

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。

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。碳纤维复合材料因其较高的比强度、比模量在国外先进战略、战术固体火箭发动机方面应用较多，新型陆基机动固体洲际导弹一、二、三级发动机壳体、新一代中程地地战术导弹发动机壳体。

由于碳纤维的密度、耐热性、刚性等方面的优势，增强纤维以碳纤维为主。碳纤维复合材料在空间技术上的应用，国内也有成功范例，如我国的第一颗实用通信卫星应用了碳纤维/环氧复合材料抛物面天线系统；第一颗太阳同步轨道“风云一号”气象卫星采用了多折迭式碳纤维复合材料刚性太阳电池阵结构等。

4.4 火箭发动机壳体用韧性环氧树脂基体

为了适应航空航天领域日益苛刻的要求，通用环氧树脂已不能满足要求，世界各国都在致力于开发各种高性能环氧树脂，以便于开发同高性能增强材料（如复合材料课程论文 —— 航空航天先进复合材料现状

- 4 - 芳纶、碳纤维等）相匹配的树脂体系。以碳纤维为增强剂的先进树脂基复合材料是航空航天工业中最重要材料之一。飞行器减重仍然是今后面临的关键问题。此外，对包括飞行器在内的许多国防装备的隐身也是需要解决的另一关键问题。因此，对先进复合材料，不仅要求其具有高的比强度、比模量和韧性，而且要求具有隐身性能，即兼有结构及功能性能。发展先进复合材料关键之一是开发综合性能优异的树脂基体。

环氧树脂由于性能优异,数十年来一直是火箭发动机壳体用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.这些年来居主导地位的一直是刚性双酚A二缩水甘油醚的环氧混合物。环氧树脂的固有缺点是耐冲击损伤能力差,耐热性能也较低(小于170℃),火箭发动机在高速下飞行,外表面必须良好绝热,以防御气动加热影响,这样则加大了发动机的惰性质量。多年来各国都在努力改进环氧树脂性能,例如提高韧性或耐热性，以不断提高发动机的性能。许多研究工作表明环氧树脂改进仍有很大潜力。

4.4.1 橡胶类弹性体增韧环氧树脂

这一类最常用的是液体橡胶。橡胶改性剂（弹性体）通常带有活性端基（如羧基、羟基、氨基等）与环氧基反应形成嵌段。在树脂固化过程中，这些橡胶类弹性体嵌段一般能从基体中析出，在物理上形成两相结构，其断裂韧性GIC比未增韧的树脂有很大幅度的提高。研究表明，正确控制反应性橡胶与环氧树脂体系中的相分离过程是增韧能否成功的关键。

4.4.2 热塑性工程塑料增韧环氧树脂

80年代又兴起用耐热性强韧性热塑性树脂来增韧环氧树脂。这些热塑性树脂本身具有良好的韧性，而且模量和耐热性较高，作为增韧剂加入到环氧树脂中同样能形成颗粒分散相，它们的加入使环氧树脂的韧性得到提高，而且不影响环氧固化物的模量和耐热性。但热塑性树脂的加入，往往导致体系的粘度增大，且增韧的效果在一定范围内随添加量增大而增大，这给这类树脂的工程应用带来了诸多难题，尤其是诸如火箭发动机壳体的缠绕成型工艺，但热塑性树脂还是一种很有前途的环氧增韧剂。