先进复合材料
英文成语-耳石症是怎么造成的
2023年3月19日发(作者：公平英语)航空复合材料技术
航空先进复合材料及工艺技术发展
航空先进复合材料及工艺技术发展
【摘要】随着先进复合材料技术和工艺技术的迅速发展，复合
材料在飞机上的应用比例稳步增长，应用部位从非承力、次承力
结构向主承力和核心部件扩展，本文总结了近年来推动复合材料
发展的先进材料技术和制造工艺技术。
【关键词】航空先进复合材料；材料技术；工艺技术
0.引言
航空复合材料是一种由高强度、高刚度增强材料构成的新型材
料，具有良好的抗疲劳性、抗腐蚀性等一系列优点。复合材料是
综合权衡飞机减重、性能、成本三方面因素的理想材料，在飞机
上大量应用可以明显减轻飞机的结构重量，提高飞机的性能[1]。
受益于近二十年来复合材料技术和制造工艺技术的进展，复合
材料在飞机上的用量大幅增长，显著提高了飞机的综合性能和燃
油经济性。经初步统计，预浸料成本目前已降到120～190美元/kg，
结构制造成本已从上世纪90年代初1100美元/kg，降到目前275～
330美元/kg。复合材料原材料成本和结构件制造成本的大幅度降
低，经进一步扩大了复合材料的减重、性能和成本优势。
1.航空先进复合材料发展分析
复合材料原材料方面，航空用各种树脂基复合材料水平有大幅
度提高。在碳纤维材料方面，大丝束12k、24k已逐渐代替3k及
6k，高强度的T700S及T800S已开始广泛生产。以977-3/IM7和
3900/T800S为代表的环氧树脂复合材料已发展到第二代，其CAI
达到245～315MPa，堪称首屈一指。以5250-4/IM7为代表的双马
基高温复合材料已发展到第二代，工作温度达到177℃，广泛用
于飞机高温部位。
聚酰亚胺复合材料广泛用于发动机高温部位，缺点是含甲撑替
二苯胺（MDA）有毒，美国研究出无MDA的预浸带可用于发动机
及飞机；因钛合金稀缺，聚酰亚胺预浸带正研究用来代替500℃
以下的钛合金。美国Amber公司开发的C740阻燃氰酸乙酯树脂
与碳纤维组成的材料固化后工作温度可达344℃，可用作无人机
S-100的尾喷管及发动机。
2.航空复合材料先进工艺技术发展分析
航空复合材料先进工艺技术方面，数字化技术、自动化技术、
低成本技术以及先进工艺装备的应用和发展，推动了复合材料工
艺技术从以手工制造、模拟量传递为特征的传统技术迅速转变为
以自动化制造、数字量传递为特征的先进技术，目前在航空复合
材料中得到广泛认可和推广应用的先进制造技术如下：
2.1数字化技术广泛应用
采用数字量形式对产品进行全面描述和数据传递，实现了设计
与制造之间的无缝集成。目前复合材料构件数字化制造主要体现
在预浸料自动下料、激光铺层定位和纤维自动铺放等方面。
2.2自动化技术迅猛发展
自动铺叠可成型超大尺寸和形状复杂的复合材料制件，而且质
量稳定，工件净近成形，加工切削加工及原材料耗费减少。自动
铺带及丝束铺放的材料利用率达到80～97%，而手工铺层的材料
利用率仅为40%，先进铺带技术可降低制造成本30%～50％。据
统计，2001年前全球只有不足100台自动化复合材料铺层机，到
2007年全球拥有自动化复合材料结构制造用机器人设备250台。
2007年
篇二：航空航天复合材料技术新进展
航空航天技术新进展
——航空航天先进复合材料技术应用及进展
摘要：本文对航空航天先进复合材料的发展现状和应用情况进
行了论述，简述了先进复合材料的特性，重点介绍了几种常用先
进复合材料在航空航天领域的应用及相关技术的最新进展，最后
对航空航天先进复合材料技术发展方向进行了展望。
关键词：航空航天；先进复合材料；发展现状
1前言
随着航空航天科学技术的不断进步，促进了新材料的飞速发展，
其中尤以先进复合材料的发展最为突出。复合材料由于它特有的
结构质量轻、比强度、比模量高等特点，并具有抗疲劳、耐高温、
减振、可设计等一系列优点，近几十年来，在航空航天领域得到
了广泛的应用。
先进复合材料主要有树脂基复合材、金属基复合材料、陶瓷基
复合材料和碳/碳复合材料。树脂基复合材料是先进复合材料的主
体。本文回顾了复合材料在航空航天领域中的应用历程，介绍了
航空航天先进复合材料的发展现状并对未来航空航天先进复合材
料的发展方向进行了展望。
2复合材料概述
2.1复合材料简介及发展历程
复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合
而成的一种多相固体材料，复合材料的组分材料虽然保持其相对
独立性，但复合材料的性能却不是组分材料性能简单的加和，而
是有着重要改进，甚至会出现新的，其组分不具有的性能。复合
材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草或麦秸增
强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20
世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗
称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续
发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年
代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与
合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等
金属基体复合，构成各具特色的复合材料。根据美国航空航天局
(NASA)的划分，航空航天所使用的各种先进(来自:
写论文网:航空复合材料技术)复合材料可以分为以下几种：树
脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合
材料等。
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。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。在这架
代表近代最尖端技术成果的航天收音机上使用了树脂、金属和陶
瓷基复合材料。第三件是使用了先进复合材料作为主承力结构，
制造了可载180人的波音-767大型客运飞机，不仅减轻了重量，
还提高了飞机的各种飞行性能。复合材料在这几个飞行器上的成
功应用，表明了复合材料的良好性能和技术的成熟，这对于复合
材料在重要工程结构上的应用是一个极大的推动。
2.2先进复合材料特性
1.可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，
具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材
料，既具有类似钢材的的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀
性能。可设计性和各向异性。复合材料的力学、机械及热、声、
光、电、防腐、抗老化等性能都可按照构件的使用或服役环境条
件要求，通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手
段，最大限度地达到预期的目的，以满足工程结构设计的使用性
能，同时由于复合材料具有各向异性和非均匀性，可以通过合理
的设计消除材料冗余，最大程度发挥材料及结构的潜力和效率。
2.材料与结构一体化。复合材料构件与材料是同时形成的，一般
不再由“复合材料”加工成复合材料构件，使之结构的整体性好，
大幅减少零部件和连接件数量，从而缩短加工周期，降低成本，
提高可靠性。
3.复合效应。复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的，但
他不是几种简单材料的混合，而是按照复合效应形成的新性能，
这种复合效应是复合材料仅有的，通过复合效应，复合材料可以
克服单一材料的某种性能缺陷。
4.复合材料组成的多样性和随意性为复合材料具有除力学性能
以外的许多功能（如声、光、电、磁、热等）创造了条件，是复
合材料拥有吸波、透波、耐热、防热、隔热、导电、记忆、阻尼、
摩擦、阻燃、透析等功能；同时与其他技术相结合，如与纳米技
术结合发展的纳米复合材、与生物、医学科学相结合发展的生物
复合材料、与微机电、控制、传感技术等相结合发展的智能复合
材料等。
3航空航天先进复合材料简介及发展现状
3.1先进树脂基复合材料
先进树脂基复合材料是以高性能树脂为基体、高性能连续纤维
等为增强材料，通过一定的复合工艺制备而成，具有明显优于原
组分性能的一类新型材料。与传统的钢、铝合金结构材料相比，
它的密度约为钢的1/5，铝合金的1/2，且比强度与比模量远高于
后二者。
当前，航空航天用先进树脂基复合材料大都为碳纤维增强热固
性树脂复合材料，其中环氧树脂占主要地位。高温树脂基体的开
发工作主要集中于聚酰亚胺树脂，其中最负盛名的是PMR-15树
脂，已在发动机上得到了广泛应用。由于钛合金稀缺，聚酰亚胺
预浸带正研究用来替代500℃以下的钛合金。氰酸酯树脂具有低
吸湿率、高韧性、高介电性能(介电常数2.7-3.2，介电损耗
0.001-0.005)等特点，
它是未来结构功能一体化的优选材料。美国Amber公司开发的
C740阻燃氰酸乙酯树脂系统与碳纤维组成的材料固化后的工作温
度可达344℃，可用作无人机S-100的尾喷管及发动机。
3.2金属基复合材料
以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复
合材料。按所用的基体金属的不同，使用温度范围为350～1200℃。
这类材料具有优良的导电性能、导热性能、耐高温性能，横向性
能、低消耗和优良的可加工性能。近20年来，镁基、铝基、钛基
等轻质金属基复合材料在航空航天高技术领域起到了支撑作用，
SiC晶须增强的铝基复合材料薄板将用于先进战斗机的蒙皮和机
尾的加强筋，钨纤维增强高温合金基复合材料可用于飞机发动机
部件，石墨/铝、石墨/镁复合材料具有很高的比刚度和抗热变形
性，是卫星和宇宙飞行器用的良好的结构材料。美国航天航空局
采用石墨/铝复合材料作为航天飞机中部长20m的货舱架。此外，
金属基复合材料还可以用于光学与精密仪器，美国把金属基复合
材料高性能反光镜用于红外探测系统，航天激光系统及超轻量太
空望远镜，通过改变SiC强化颗粒占铝基合金的比例，能使反光
镀层的热膨胀系数与复合材料相同，有助于提高跟踪和命中率。
3.3陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是20世纪80年代逐渐发展起来的新型陶瓷材
料，包括纤维
(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相
陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷复合材料。其
因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、
耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点，在有机材料
基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用，
成为理想的高温结构材料。而其致命的弱点是具有脆性，处于应
力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、
高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有
效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维
增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料的最高使用温度为1650℃，
其密度仅为高温合金的1/3～1/4，工作温度却比高温合金高500℃，
它的耐高温能力和减重效果是目前其它材料无法替代的。美国和
西欧各国一直将陶瓷基复合材料的研究列入重点投资项目，仅
1992年美国投入陶瓷基复合材料应用研究的经费就高达3500万
美元；法国SEP公司用陶瓷基复合材料制成的SCD-SEP火箭试验
发动机已通过点火试车，并使结构减重50%。
3.4碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料。具有
低密度(2.0g/cm3)、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、
摩擦性能好，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高，升华温度高、
力学性能好、抗热振性能好、质量轻、抗辐照、辐射系数比较高、
对雷达和光的可见度小等优点，是目前在1650℃以上应用的少
数备选材料，最高理论温度更高达2600℃。碳/碳复合材料由于其
独特的性能，已广泛应用于航空航天领域，如火箭发动机喷管及
其喉衬、航天飞机的端头帽和机翼前缘的热防护系统等。
4先进复合材料在航空航天领域的应用
4.1飞机机身上的应用
飞机用复合材料经过近40年的发展，已经从最初的非承力构件
发展到应用于次承力和主承力构件、可获得减轻质量(20～30)%
的显著效果。目前已进入成熟应用期，对提高飞机战术技术水平
的贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑，其设计、制造和
使用经验已日趋丰富。迄今为止，战斗机使用的复合材料占所用
材料总量的30%左右，新一代战斗机将达到40%；直升机和小型
飞机复合材料用量将达(70～80)%左右，甚至出现全复合材料飞
机。“阿帕奇”为了减轻
质量，将采用复合材料代替金属机身。使用复合材料，未来的联
合运输旋转翼(JTR)飞机的成本将减少6%，航程增加55%，或者
载荷增加36%。以典型的第四代战斗机F-22为例，量产机复合材
料用量达35%，其中热固性复合材料占18%，热塑性复合材料占
14%左右，其他3%。俄罗斯的第5代战斗机S-37在前掠式机翼及
弯曲进气道等独特设计结构中大量采用复合材料，将有效载荷提
高20%-25%，生产成本降低40%-60%，并大大改进飞机的综合作
战性能。美国最新研制的轻型侦查攻击直升机RAH-66，具有隐身
能力，复合材料用量约50%，机身龙骨大梁长7.62m，铺层最多
处达1000层，是目前复合材料使用最多的直升机。法、德合作研
制的Tiger武装直升机，复合材料用量达80%。
在飞机隐身方面，近几十年来隐身复合材料的研究取得了长足
进展，正朝着“薄、轻、宽(频谱)、强(耐冲击、耐高温)”方向
发展。美国最先将隐身材料用在飞机上，用隐身材料最多的是
F-117和F-22飞机。F-117的隐身涂层十分复杂，有7种材料之多。
例如，它的机身、机翼、副翼及尾翼等采用了瓦片状吸波材料，
为了加固这种瓦片状材料在底层采用了Filcoat材料，它是碳纤维
增强的环氧预浸带，用自动铺带法叠在吸波涂层下面。2000年，
美空军对F-117的隐身材料进行更新，将原来的7种隐身材料涂
层更换为1种，全部F-117将具有通用的维修程序和雷达波吸收
材料，技术规程的数量减少大约50%。改进后F-117的每飞行小
时维修时间缩短一半以上，全部52架F-117的年维护费用从1450
万美元降至690万美元。F-22不采用全机涂覆吸波涂层的方法，
但在机身内外的金属件上全部采用了铁氧体吸波涂层，它是一种
有韧性的耐磨涂料，较之F-117的涂料易于喷涂且耐磨。专家预
测到本世纪30代，导电高分子电致变色材料、掺杂氧化物半导体
材料、纳米复合材料和智能隐身等复合材料将实际用于飞机，它
将使飞机的航电系统及控制方式发生根本性的变化。
4.2航空发动机上的应用
在涡轮发动机方面，由于具有密度小、比强度高和耐高温等固
有特性，复合材料在航空涡轮发动机上应用的范围越来越广且比
例越来越大，使航空涡轮发动机向“非金属发动机”或“全复合
材料发动机”方向发展。
（1）树脂基复合材料凭借比强度高，比模量高，耐疲劳与耐腐
蚀性好，阻噪能力强的优点，树脂基复合材料在航空发动机冷端
部件（风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等）和发动机短舱、反
推力装置等部件上得到广泛应用。如JTAGG验证机的进气机匣采
用碳纤维增强的PMR15树脂基复合材料，比采用铝合金质
篇三：复合材料与航空航天
复合材料与航空航天
摘要
先进复合材料(advancedcompositematerials,ACM)成功地用于
航空航天领域仅有20多年的历史.它具有比强度比模量高、可设
计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能优越以及便于大面积整体成
型等显著优点,在飞机上已获得大量应用。作为21世纪的主导材
料,先进复合材料的用量已成为飞机先进性,乃至航空航天领域先
进性的一个重要标志,是世界强国竞相发展的核心技术,也是我国
的重点发展领域。本文介绍了复合材料在航空航天上的发展状况，
其后讨论了目前复合材料使用上存在的问题，如碳纤维质量差，
成本高，针对这些问题，本文最后着重叙述了先进的碳化硅陶瓷
纤维的制备方法，特点，以及NL-200陶瓷级纤维在航空航天上的
使用。
关键词：复合材料碳化硅陶瓷纤维航空航天
1先进复合材料现状
复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材
料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的
空间组合而形成的一种多相固体材料。先进复合材料(Advanced
CompositeMaterials)指的是在性能和功能上远远超出其单质组分
性能与功能的类新材料。它是国防军工和国民经济发展最重要的
一类工程材料，也是应用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天
飞行器的理想材料。根据美国航空航天局(NASA)的划分，航空航
天所使用的各种先进复合材料可以分为以下几种：树脂基复合材
料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料等[1]。
1.1.1先进树脂基复合材料
先进树脂基复合材料是以高性能纤维为增强体、高性能树脂为
基体的复合材料.与传统的钢、铝合金结构材料相比,它的密度约为
钢的1/5,铝合金的1/2,且比强度与比模量远高于后二者.目前用途
最广的主要有碳纤维复合材料(ＣＦＲＰ)和芳纶纤维复合材料(Ａ
ＦＲＰ).ＣＦＲＰ具有比强度高、耐高温、减振性好、耐疲劳性能
优越等突出优点,是目前民用飞机上用量最大,也是航空航天等尖
端科技领域发展较为成熟的先进复合材料[2].ＡＦＲＰ热稳定性
好,耐介质性能优良,可作为复合装甲材料,有较强的防护力.国外近
年致力于将该种材料用于制作军、民用飞机的光谱屏蔽材料,其关
键性能指标———抗冲击性能相当出色.
1.1.2金属基复合材料
金属基复合材料主要是指以Ａｌ、Ｍｇ等轻金属为基体的复合
材料.在航空和宇航方面主要用它来代替轻但有毒的铍.这类材料
具有优良的导电性能、导热性能、耐高温性能，横向性能、低消
耗和优良的可加工性能。近20年来，镁基、铝基、钛基等轻质金
属基复合材料在航空航天高技术领域起到了支撑作用［3］，SiC晶
须增强的铝基复合材料薄板将用于先进战斗机的蒙皮和机尾的加
强筋，钨纤维增强高温合金基复合材料可用于飞机发动机部件，
石墨/铝、石墨/镁复合材料具有很高的比刚度和抗热变形性，是
卫星和宇宙飞行器用的良好的结构材料。美国航天航空局采用石
墨/铝复合材料作为航天飞机中部长20m的货舱架。这类材料具
有优良的横向性能、低消耗和优良的可加工性,已成为在许多应用
领域最具商业吸引力的材料,并且在国外已实现商品化.而在我国
仅有少量批量生产,以汽车及机械零件为主,年产量仅5000吨左右,
与国外差距较大[4].
1.1.3陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料
陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料属于耐热结构复合材料，这类
材料具有寿命长、强度高、密度低、耐高温、耐腐蚀和抗磨损等
特性。陶瓷基复合材料的最高使用温度为1650℃，其密度仅为高
温合金的1/3～1/4，工作温度却比高温合金高500℃，它的耐高温
能力和减重效果是目前其它材料无法替代的。在1992年，美国投
入陶瓷基复合材料应用研究的经费就高达3500万美元[5];法国Ｓ
ＥＰ公司用陶瓷基复合材料制成的ＳＣＤ-ＳＥＰ火箭试验发动
机已通过点火试车,并使结构减重50%[6].国内从20世纪90年代初
开始进行该领域的研究,目前尚未有批量生产的报道。与其它几类
相比连续纤维增强陶瓷基复合材料具有更高的断裂韧性及断裂
功，且具有完全的非脆性破坏形式，其断裂韧性(K1C)可达
30MPa·m1/2以上，比传统陶瓷材料韧性(K1约MPa·m1/2提高
200～600%[6]。
2.4碳/碳复合材料
碳纤维增强碳复合材料是指用碳纤维来增强各种基质碳的材
料，简称碳/碳复合材料[7]。碳/碳复合材料是一种极好的热结构
材料，具有升华温度高、力学性能好、抗热振性能好质量轻、抗
辐照、辐射系数比较高、对雷达和光的可见度小等优点，主要用
于航空航天领域。
3先进复合材料可持续研发与应用中需解决的问题
我国先进复合材料是在国防、航空航天领域的需求牵引下逐步
发展起来的,经历了对前苏联、美国、日本、西欧以及俄罗斯等国
的仿制和跟踪到形成自己的复合材料体系的不同阶段,同时由于
受到体制分割和各自领域独立发展的制约和影响,在某种程度上
已经形成了材料品种及牌号多、材料成熟度参差不齐、低水平或
同水平重复以及较低的性能，质量、规格、价格以及供货能力等
方面还远远不能满足国防、航空航天以及民用领域的需求。尤其
在中国加入WTO之后,在自主知识产权、创新和提高竞争力等方
面受到严峻的挑战。
3.1国产碳纤维
碳纤维是最重要的增强材料,我国碳纤维研发与生产中存在的
几个问题:原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、应用基础
研究薄弱等。面对国外的技术封锁,我国的迫切需求,以及碳纤维的
基础性、先导性以及战略性特点,解决碳纤维技术问题迫在眉睫。
如解决PAN原丝PAN碳纤维的关键技术问题,T300级PAN碳纤维
实现大批量生产,满足国内对碳纤维材料的需求;T700级PAN碳纤
维可进行小批量生产;争取在模量大于700GPa和强度大于5.5GPa
的高模高强碳纤维关键技术方面获得突破,并同时开展大丝束、低
成本碳纤维技术研究。
3.2低成本复合材料技术
我国在低成本复合材料技术方面面临着很大的挑战,尤其是在
低成本制造技术方面。以某机翼研制为例,碳纤维树脂基复合材料
每千克成本为9600元,其中碳纤维约为1000元,树脂约为300元,
纤维和基体的成本在总成本中占有份额小于15%,设计成本小于
5%,而制造成本却高达80%[8].首先,要继续发展低成本工艺技术,
如树脂传递模塑(RTM)及其衍生工艺、电子束固化和低温固化工艺
等。同时,发展制造过程优化以及工艺控制技术,提高复合材料的性
能稳定性,也是降低成本的重要手段。大幅降低成本,提高制造效率
的重要技术是自动化制造,如自动纤维铺放技术等,而我国先进的
工艺装备还十分缺乏。
3.3先进复合材料及结构的设计理论与方法
通过对复合材料几十年的研究和成功应用,人们对其有了更深
刻的认识。自
2000年以来,欧美等发达国家的先进复合材料在航空上用量有很
大的飞跃,这其中的原因是多方面的,而科学合理的设计理论与方
法也是其中的重要因素。我国首先要解决的是设计理念上的问题。
主承力结构件上大量用复合材料,需要设计师接受和信赖复合材
料。其次是设计理论问题。复合材料的性能分散性和环境依赖性
使其设计问题相当复杂,设计准则和结构设计值的确定还很保守。
现有的方法需要大量试验,造成复合材料的制备成本高、周期长,
性能测试难度大、费用昂贵。设计、制备、评价和使用过程中获
得的每一个材料性能数据都弥足珍贵。因此,建立长期的开放式的
数据库系统十分必要。
3.4先进复合材料结构的安全与可靠性评价
复合材料结构形式、服役载荷及使用环境都相当复杂及初始缺
陷影响和损伤最终导致材料破坏与结构失效的机制复杂。因此,建
立复合材料有效性能试验表征与评价体系,发展高精度的预报理
论与方法,有效预测复合材料结构长时服役环境下的性能蜕变规
律,给出科学合理的复合材料结构失效判据,定量化评价复合材料
结构的可靠性和安全性,是复合材料工作者面临的重要课题。
3.5重视发展规划
国外航空航天结构中先进复合材料用量不断增加,急剧上升。随
着新一代飞行器的发展,特别是新一代卫星、大运载火箭、近空间
飞行器和大飞机的发展,先进复合材料与应用将越来越重要。国家
应从需求及复合材料科学与技术本身规划复合材料可持续发展问
题,可以从复合材料与金属、高分子、无机材料同等重要,并且是航
空航天四大材料(复合材料、铝、钛、钢)的角度,制定相关计划并
动员社会力量推进复合材料可持续发展。重点解决先进复合材料
研制中的共性和关键问题,发展我国的优势和精品系列材料,通过
国家与企业协同支持,自主创新,使我国成为复合材料的强国。
4碳化硅陶瓷纤维
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，但其
原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、应用基础研究薄弱
等问题仍很严峻。陶瓷纤维是由天然或人造无机物采用不同工艺
制成的纤维状物质,也可由有机纤维经高温热处理转化而成,除
具有优异的力学性能外,还具有抗氧化、高温稳定性好等优点。
碳化硅纤维(SiCf)是用于金属基、陶瓷基复合材料的一种重要的高
性能增强陶瓷纤维。与碳纤维相比,SiCf在抗拉强度、抗蠕变性能、
抗氧化性以及与陶瓷基体相容性方面表现出一系列的优异性能。
4.1SiCf的制备
4.1.1化学气相沉积法
化学气相沉积法(CVD),即在连续的钨丝或碳丝芯材上沉积碳化
硅。通常在管式反应器中用水银电极直接采用直流电或射频加热,
把基体芯材(钨丝或碳丝)加热到1200℃以上,通入氯硅烷和氢
气的混合气体,经反应裂解为碳化硅,并沉积在钨丝或碳丝表
面。目前有美国达信系统公司、法国国营火药炸药公司、英国
石油公司和我国中科院金属所等在开展此项工作。
4.1.2先驱体转化法
先驱体转化法(PIP)是以有机聚合物(一般为有机金属聚物)为先
驱体,利用其可溶可熔等特性成型后,经高温热分解处理,使之从
有机化合物转变为无机陶瓷材料的方法。1975年日本的矢岛教授
等[9]首次使用聚碳硅烷作为先驱体制造
SiCf。之后,日本碳公司又开发了月产100kg的连续SiCf工业生
产线,以“Nicalon”商品名销售。同时国内也研制出了高性能连
续SiCf技术,填补了中国陶瓷纤维品种的空白,使中国成为国际
上少数能用此方法制得连续SiCf的国家之一。表1反映了各国
采用先驱体法制备SiCf的性能。目前,SiCf的单丝抗拉强度达到
了2.42GPa,丝束强度得到了成倍的提高(178GPa),已经可以在
编织机上进行编织,实用性大为提高。尽管如此,先驱体法也有
一些缺点:如原料及保护气体的价格昂贵、制造工艺繁杂,纤维质
量不容易控制等。
4.1.3活性炭纤维转化法
近年来,出现了一种新的SiCf制备方法———活性炭纤维转化
法。它的原理比较简单:利用气态的SiO与多孔活性炭反应便转化
生成了SiC。该法使得制备SiCf成本降低,过程简单。活性炭纤维
转化法制备SiCf包括三大工序:1.活性炭纤维制备;2.在一定真空
度的条件下，在1200℃～1300℃的温度下,ACF与SiO2发
生反应而转化为SiCf;3.在氮气气氛下进行热处理(1600℃)。
4.1.4超微粉体挤压纺丝法
超微粉体掺混纺丝法[10]是制备连续SiCf的经典方法,是将超
微SiC粉、粘结剂和烧结助剂等混合后挤压纺丝,高温烧结而
成。英国ICI公司用0.1μm～2.0μm微粉,PVAc作粘结剂,
B和Al2O3作烧结助剂,混合纺丝后高温烧结制得SiCf,其强度
为1.6GPa。Si也可用作烧结助剂,并能降低烧结温度到1
800℃。
4.2碳化硅的性能
可以看出,活性炭纤维转化法制备的SiCf的性能与CVD法、
先驱体转化法制得SiC相比尚有一定的差距,虽然大大降低了
SiCf的生产成本,使得SiCf大批量、工业化生产以及大范围地被
应用成为可能,但其性能还需进一步的提高。提高活性炭纤维转
化法SiCf性能的关键在于降低活性炭纤维微孔的孔径,并尽可能
提高活性炭纤维的性能。
4.3NL-200陶瓷级纤维
NL-200陶瓷级纤维,有很高的抗张强度(3GPa)和高的抗张模量
(220GPa),用作树脂基、金属基、陶瓷基复合材料的增强纤维。
NL-400和NL-500分别是高体积电阻率纤维和低体积电阻率纤维，
两者主要用作树脂基复合材料的增强纤维。NL-607是由NL-200经
过碳涂层而得的纤维。用NL-607增强的陶瓷复合材料具有优秀的
界面性能。这种纤维同时具有细、弯曲和连续的特性,可生产多
种机织物,如布、带、绳、编织和三维机织物，Nicalon纤维同时
具有耐热和高温下耐氧化的优秀性能。
4.3.1基于耐高温性能的应用
SiCf增强陶瓷(CMC)比超耐热合金的质量轻,具有高温耐热性,
并显著地改善了陶瓷固有的脆性,所以CMC可用作宇宙火箭、
航空喷气式发动机等耐热部件以及高温耐腐蚀化学反应材料等。
根据美国NASA的评价,Hi-Nicalon碳化硅复合材料在1200℃
下,可用作超高温耐热结构材料,第二代超高速运输飞机发动
机部件及核聚变炉防护层材料等。英国航天工业局(AEA)将
40vol%的连续SiCf增强陶瓷基复合材料用于新型航天飞行器获得
成功。该材料用热压或热等静压成型,轻且坚固,在承受强大的
空气动压力的同时,还能经受航天器重返大气层时的极高温度。
满足了航天器的苛刻要求,且成本低廉,使用方便,是钛合金和
镍基耐热合金的理想替代物。美国德克斯特朗特种材料公司生产
的连续SiCf/Si3N4陶瓷在1370℃时抗拉强度超过276
MPa,用于
火箭发动机航天飞机等的隔热瓦等。洛克公司以SiCf开发出来的
耐热瓦,已有3万余块用于美国哥伦比亚号宇宙飞船上。用CVD
技术制作的碳化硅镀覆瓦,反复承受1260℃热辐射后,其表
面的硬度特性和金刚石一样。目前已制造出用于1630℃高温的
此类耐热绝热产品。法国幻影2000战斗机的M53发动机鱼鳞
板内侧也采用了SiCf/SiC陶瓷基复合材料。日本以SiCf/SiC材料作
为空间飞机HOPE-X的平面翼板及前沿曲面翼板等热保
护系统(TPS),经试验其力学性能和热保护性能都得到理想结
果[11]。在航空发动机方面SiCf/SiC材料是更大幅度提高推重比的
希望所在,日本先进材料航空发动机(AMG)燃烧室的衬里、喷嘴
挡、叶盘等均采用CVI-PIP联用工艺生产的SiCf/SiC材料[12]。
4.3.2基于结构吸波性能的应用
作为结构吸波材料的吸收剂和增强剂,轻质、高强高模、耐高温
且同时具备良好吸波性能的吸波纤维是当前吸波材料的重要研究
方向之一。SiCf密硼纤维相当,既具有与碳纤维相当的强度与模
量,碳纤维、芳纶等无法比拟的耐高温氧性，又具有与玻璃纤维
相近的介电常数和电阻率,是高性能复合材料的理想增强剂,是国
外研究发展最快的耐高温陶瓷纤维。SiCf可以抗γ射线辐射以及
高速粒子流和电子流的冲击。SiCf经过适当处理,电阻率调整到
10Ψ·cm～103Ψ·cm会达到最好的吸收效果。美国已研制
出了SiCf增强的玻璃陶瓷基复合材料,即使温度较高该材料也具
有吸波性能,已广泛用作吸波材料和吸波结构[13]。
5.结束语
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,耐热性、耐腐蚀性好的碳化硅纤维卓
越的研究成果无疑为我们带来了新的希望。从SiCf的制备来看,
先驱体转化法是比较成熟的方法,是SiCf制备研究的主流方向,
目前已实现工业化。在应用方面,用作耐热材料及复合材料增强
纤维及吸波材料,在航空航天领域取得了令人振奋的研究结果。
随着研究的深入,SiCf/SiC材料将在更多的尖端技术领域得到广泛
应用。可以预见,凭借其优秀的性能,SiCf将会是21世纪最引人
注目的高科技材料之一。