第30卷第4期 PACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 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;一体化智能结枸;綜述 中图分类号:TB334;V258:3 文献标志码:A 文章编号:1673-1379(2013)04-0352-08 Dol:10.3969issn.1673-13792013.04.003 0引言 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料,直径 复合化是当代材料技术发展的重要趋势之 范围在6~8μm,是20世纪60年代由美国首先开 而大量采用高性能复合材料是航空航天飞行器发发并形成规模产业的一种具有全新概念的新材料。 展的重要方向。其中在民用飞机领域,应用发展非目前用在复合材料中的碳纤维主要有聚丙烯腈基 常迅速。2013年6月14日,空客研制的新型超宽碳纤维和沥青基碳纤维两大类,前者是用一种高分 体A-350XWB客机成功首飞,这是继波音的B787子合成纤维—聚丙烯腈纤维的原丝,或称之为前 梦想”飞机之后,全球航空业界的又一个亮点 驱体( precursor),通过专门而又复杂的碳化工艺 A350XWB和B787飞机的复合材料用量分别达制备而得。由于高温碳化,使纤维中的氢、氧等元 到52%和50%,这标志着航空航天复合材料发展素得以排出,成为一种含碳量高于90%的纯碳材 新的里程碑,表明新的发展时期已经拉开序幕。 料,而本身质量大为减小:而且由于碳化过程中对 在航天领域,高性能复合材料的用量也在迅速纤维进行沿轴向的预拉伸处理,使得碳分子沿轴向 扩大,各种航天飞行器的重要结构件(如运载火箭进行取向排列,大幅提高了碳纤维的轴向拉伸强 和导弹壳体,航天飞机与宇宙飞船部件,卫星天线 度,成为一种轻质、高强、高模量、化学性能稳定 天文望远镜等)正在越来越多地采用复合材料 的高性能纤维材料 复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异 沥青基碳纤维的制备原理与聚丙烯腈基碳纤 构的材料通过专门成型工艺复合而成的一种高性维的大致相同,沥青基碳纤维还可以继续进行石墨 能的新材料体系,复合的目的是要改善材料的性化处理,使碳含量超过98%,因而具有更高的弹性 能,或使材料能满足某种特殊的物理性能(如光、模量。用它制造的复合材料,具有非常高的尺寸稳 电、热、声、磁等)要求。复合材料按使用要求大定性,例如卫星的复合材料太阳能电池板及反射天 致分为结构复合材料和功能复合材料,在航空航天线,在太空数百摄氏度的高低温温差下,仍能保持 领域,目前和今后20~30年的发展主流是用于制尺寸基本不变 造空天飞行器结构件的碳纤维增强树脂基复合材 CFRP最大的优点是轻质、高强,航空航天高 料(简称CFRP),在此基础上发展结构/功能一体端应用仍是其主要发展方向,用CFRP制造飞机的 化和智能化结构复合材料,以满足越来越先进的空结构件,同铝合金相比,减重效果可达209%~40% 天飞行器的要求。 体现出巨大的节能效益。现在CFRP应用已迅速扩 收稿日期:2013-0709: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—),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:chunrong0625@sina.com。 o1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
航 天 器 环 境 工 程 第 30 卷第 4 期 352 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2013 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; V258+ .3 文献标志码：A 文章编号：1673-1379(2013)04-0352-08 DOI: 10.3969/j.issn.1673-1379.2013.04.003 0 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-350 XWB 客机成功首飞，这是继波音的 B-787 “梦想”飞机之后，全球航空业界的又一个亮点。 A-350 XWB 和 B-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 CFRP），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[2]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径 范围在 6～8 μm，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——聚丙烯腈纤维的原丝，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，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。 CFRP 最大的优点是轻质、高强，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—），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: chunrong0625@sina.com
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。业内专家分材料开始应用于机翼、机身等主要的承力结构,军 析,未来20~30年,航空复合材料将迎来新的发展机结构的复合材料化进程加速,复合材料用量不断 时期,CFRP的大范围应用,将带来航空产业链革增加(见表1),现在复合材料的用量已经占军用飞 命性的变革,包括设计理念的创新、设计师的知识机结构质量的20%~50%有些飞机在发动机结构 更新和设计团组的重组,航空产品供应链的战略性上也采用了复合材料,这些复合材料采用耐高温树 改变,以及对航空维修业提出前所未有的挑战。脂(聚酰亚胺)制造,工作温度可达250~350℃, 从材料技术的发展来看,有人认为,20世纪用作发动机冷端部件,主要是在发动机的外涵道机 是硅材料的世纪,而21世纪将是碳材料的世纪 匣、风扇静子叶片、转子叶片、包容机匣以及发动 其中碳纤维及其复合材料占有重要一席 机短舱、反推力装置等部件上得到应用24。 1航空应用 此外,军用旋翼机的螺旋桨及机体结构也大量 使用复合材料,如V-22“鱼鹰”倾转旋翼机所用 1.1军机应用 复合材料占结构质量的40%以上,包括机身、机翼、 20世纪60年代,美国首先将CFRP用在军机尾翼、旋转机构等,共用复合材料超过3000kg 上,用于舱门、口盖、整流罩以及副翼、方向舵等欧洲最新批次的“虎”式武装直升机结构部件的复 受力较小或非承力部件。80年代初,发展到垂尾、合材料用量高达80%,接近全复材结构。相对而言, 平尾等尾翼一级的次承力部件,如F-15、F-16、军用运输机上复合材料用量不多,如C-17占8% F-18、幻影2000和幻影4000等均采用了复合材料C-130J仅占2%,但空客A40M军用运输机上采 尾翼,此时复合材料用量有限。到80年代末,美用全复合材料机翼,复合材料用量占飞机空载时结 国推出的第四代战斗机F-22、F-35JSF上,复合构质量的35%2。 表1几种军用飞机CFRP应用情况 Table 1 CFRP used in military aircraft 国别 用量 应用部位 首飞年份 30垂尾、机翼、机身结构」 JAS-39 瑞典 30机翼、垂尾、前翼、舱门等 F-22 235机翼、前中机身、垂尾、平尾及大轴1990 风(EF2000)英德/意/西 机身、垂尾、前翼 F-35 35机翼、机身、垂尾、平尾、进气道 现代战争理念的改变,使无人机倍受青睐。无 人机除在情报、监视、侦察等信息化作战中的特殊 oB-3 0A-350 XWB 作用外,还能在突防、核战、化学和生物武器战争 A-350 ●A-40X0M 中发挥有人军机无法替代的作用。无人机的发展方 向是飞行更高、更远、更长,隐身性能更好,制造 更加简便快捷,成本更低等,其中关键技术之一就 -30·4-30B 是大量采用复合材料,超轻超大复合材料结构技术 1980198519901995200020052010 是提高其续航能力、生存能力、可靠性和有效载荷 图1复合材料在波音和空客飞机上的应用情况 能力的关键56。 Fig 1 CFRP used in Boeing and airbus 相对于军机,民机的安全可靠性要求更高。而 1.2民机应用 复合材料作为一种新型结构材料,在对材料特性认 全球两家航空巨头—美国波音公司和欧洲空识、保证工艺稳定的措施和有关试验数据尚不十分 客公司多年形成的竞争似乎愈演愈烈,其中一个重充分的情况下,其发展经历了较谨慎而又漫长的历 要表现就是复合材料的用量不断增加(图1)。 程。复合材料在军机上的应用从起步到主结构件 o1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
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 21 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 CFRP 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 材料开始应用于机翼、机身等主要的承力结构，军 机结构的复合材料化进程加速，复合材料用量不断 增加（见表 1），现在复合材料的用量已经占军用飞 机结构质量的 20%～50%。有些飞机在发动机结构 上也采用了复合材料，这些复合材料采用耐高温树 脂（聚酰亚胺）制造，工作温度可达 250～350 ℃， 用作发动机冷端部件，主要是在发动机的外涵道机 匣、风扇静子叶片、转子叶片、包容机匣以及发动 机短舱、反推力装置等部件上得到应用[2-4]。 此外，军用旋翼机的螺旋桨及机体结构也大量 使用复合材料，如 V-22“鱼鹰”倾转旋翼机所用 复合材料占结构质量的 40%以上，包括机身、机翼、 尾翼、旋转机构等，共用复合材料超过 3000 kg。 欧洲最新批次的“虎”式武装直升机结构部件的复 合材料用量高达 80%，接近全复材结构。相对而言， 军用运输机上复合材料用量不多，如 C-17 占 8%、 C-130J 仅占 2%，但空客 A400M 军用运输机上采 用全复合材料机翼，复合材料用量占飞机空载时结 构质量的 35%[2]。 表 1 几种军用飞机 CFRP 应用情况 Table 1 CFRP used in military aircraft 机种 国别 用量/% 应用部位 首飞年份 阵风（Rafale） 法国 30 垂尾、机翼、机身结构 1986 JAS-39 瑞典 30 机翼、垂尾、前翼、舱门等 1988 F-22 美国 25 机翼、前中机身、垂尾、平尾及大轴 1990 台风（EF-2000） 英/德/意/西 40 机翼、前中机身、垂尾、前翼 1994 F-35 美国 35 机翼、机身、垂尾、平尾、进气道 2000 现代战争理念的改变，使无人机倍受青睐。无 人机除在情报、监视、侦察等信息化作战中的特殊 作用外，还能在突防、核战、化学和生物武器战争 中发挥有人军机无法替代的作用。无人机的发展方 向是飞行更高、更远、更长，隐身性能更好，制造 更加简便快捷，成本更低等，其中关键技术之一就 是大量采用复合材料，超轻超大复合材料结构技术 是提高其续航能力、生存能力、可靠性和有效载荷 能力的关键[5-6]。 1.2 民机应用 全球两家航空巨头——美国波音公司和欧洲空 客公司多年形成的竞争似乎愈演愈烈，其中一个重 要表现就是复合材料的用量不断增加（图 1）。 图 1 复合材料在波音和空客飞机上的应用情况 Fig. 1 CFRP used in Boeing and Airbus 相对于军机，民机的安全可靠性要求更高。而 复合材料作为一种新型结构材料，在对材料特性认 识、保证工艺稳定的措施和有关试验数据尚不十分 充分的情况下，其发展经历了较谨慎而又漫长的历 程。复合材料在军机上的应用从起步到主结构件
航天器环境工程 第30卷 的应用,也就是10多年:而在民机上的应用从20一个整体的复合材料机身段,最后卸模取出成品 世纪80年代开始到大范围的应用,经历了30多年。(图2)。 随着复合材料技术的深入研究和应用实践的 积累,复合材料在民机结构上的应用近年来取得较 大进展。复合材料的优点不仅仅是轻质,而且给设 计带来创新,通过合理设计,还可提供诸如抗疲劳、 抗振、耐腐蚀、耐久性和吸/透波等其他传统材料 无法实现的优异功能特性,增加未来发展的潜力和 (a)缠绕成型的机身壳 (b)机身段内部共固化的桁、梁 空间。尤其与铝合金等传统材料相比,复合材料可 图2B787复合材料机身段 明显减少使用维护要求,降低寿命周期成本,特别 ig 2 CFRP fuselage sector of B-787 B-787复合材料机身段不仅是世界上最大的缠 是当飞机进入老龄化阶段后差别更明显。同时,大 部分复合材料飞机构件可以整体成型,大幅度减少统机身部件,而且被认为是用碳纤维制造出的最大 零件数目和紧固件数目,从而减小结构质量,降低的压力容器。复合材料极高的拉伸环向强度使它 连接和装配成本,并有效降低总成本。 能承受更高的客舱内部压力,使得舱内的压力保持 民用飞机结构复合材料的使用量上限约为 在海拔6000英尺(1830m)高度时的气压,而不 60%。2011-2020年,通用航空领域可望增加是通常的700090英尺,乘员会感觉更加舒适。 12400架飞机,公务机市场将新增13600架,新飞复合材料抗腐蚀(金属机身的最大弱点是易被腐 机上的复合材料质量占比约为54%,公务机中占蚀,机舱内湿度可以恒定在10%-1%(金属机 68%左右。随着民机对碳纤维复合材料的需求不断身内湿度只能保持在5%~10%之间),这也同样增 增长,未来20~30年航空复合材料将进入新的发加了乘员的舒适度。B787的推出成为近几年民用 展时期 航空领域最热门的话题 1.3A-350XWB和B-787的复合材料之战 复合材料影响力如此之大,迫使空客改弦易辙 彻底重新设计A-350。新飞机改名为A-350XWB 空客最近完成首飞的A-350XWB超大型宽体 XWB意为超宽机身,并采用复合材料,使原计划 客机,包括机身在内的复合材料用量达52%,这是 40%的复合材料用量提升到52%。A-350XWB的机 对波音B-787“梦想”飞机的50%复合材料用量的 回应 体比B-787还宽13cm,在高密度下可以每排布置 波音推出B787,旨在挽回自20世纪80年代9座,而B-787每排最多只能布置8座A350XWB 中期以来与空客竞争的失利,“出奇制胜”推出复也将把座舱压力设在相当于600英尺的高度,采 合材料机身的方案,实现波音重振雄风的梦想 用增大的机窗和先进的机上电子娱乐系统,更体现 为了生产第一架全复合材料的飞机机身,波音出人性化。 采用了类似于 Raytheon所应用的纤维铺设方法。 民机复合材料机身可被认为是复合材料发展 生产出一个长7m、宽约6m的复合材料机身部件,的一个里程碑,不仅使复合材料用量跨越式提升, 这一构件是在一个巨大的旋转芯模上采用自动纤而且对设计、制造和维修提出新的挑战。空客之前 维铺放( Automatic fiber placement,AFP)技术生曾对B787略有微词,提到全复合材料机身的安全 产出来的。芯模上预制有与长桁、大梁的外形和尺问题。现在自己面对同样问题时,空客决定不套波 寸一致的槽,将预成型的长桁与梁(均由碳纤维预音的老路,而是另辟蹊径,对A-350XWB复合材 浸料铺设和加压固化而成)在缠绕前预先放在槽料机身提出了一个所谓“4个蒙皮壳板”的创新概 内,工作时芯模随心轴在设备上转动,使纤维连续念(4- shell skin panel concept for innovative 地缠绕到芯模上,形成机身壳,并留出窗口位置, fuselage),如图3(a)所示。不同于B787的全复 再将机身壳与梁、长桁一同送入热压罐固化,得到合材料机身,这种创新型的机身采用铝合金框架, o1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
354 航 天 器 环 境 工 程 第 30 卷 的应用，也就是 10 多年；而在民机上的应用从 20 世纪80 年代开始到大范围的应用，经历了30 多年。 随着复合材料技术的深入研究和应用实践的 积累，复合材料在民机结构上的应用近年来取得较 大进展。复合材料的优点不仅仅是轻质，而且给设 计带来创新，通过合理设计，还可提供诸如抗疲劳、 抗振、耐腐蚀、耐久性和吸/透波等其他传统材料 无法实现的优异功能特性，增加未来发展的潜力和 空间。尤其与铝合金等传统材料相比，复合材料可 明显减少使用维护要求，降低寿命周期成本，特别 是当飞机进入老龄化阶段后差别更明显。同时，大 部分复合材料飞机构件可以整体成型，大幅度减少 零件数目和紧固件数目，从而减小结构质量，降低 连接和装配成本，并有效降低总成本。 民用飞机结构复合材料的使用量上限约为 60%。2011—2020 年，通用航空领域可望增加 12 400 架飞机，公务机市场将新增 13 600 架。新飞 机上的复合材料质量占比约为 54%，公务机中占 68%左右。随着民机对碳纤维复合材料的需求不断 增长，未来 20～30 年航空复合材料将进入新的发 展时期。 1.3 A-350XWB 和 B-787 的复合材料之战 空客最近完成首飞的 A-350XWB 超大型宽体 客机，包括机身在内的复合材料用量达 52%，这是 对波音 B-787“梦想”飞机的 50%复合材料用量的 回应。 波音推出 B-787，旨在挽回自 20 世纪 80 年代 中期以来与空客竞争的失利，“出奇制胜”推出复 合材料机身的方案，实现波音重振雄风的梦想。 为了生产第一架全复合材料的飞机机身，波音 采用了类似于 Raytheon 所应用的纤维铺设方法。 生产出一个长 7 m、宽约 6 m 的复合材料机身部件， 这一构件是在一个巨大的旋转芯模上采用自动纤 维铺放（Automatic Fiber Placement，AFP）技术生 产出来的。芯模上预制有与长桁、大梁的外形和尺 寸一致的槽，将预成型的长桁与梁（均由碳纤维预 浸料铺设和加压固化而成）在缠绕前预先放在槽 内，工作时芯模随心轴在设备上转动，使纤维连续 地缠绕到芯模上，形成机身壳，并留出窗口位置， 再将机身壳与梁、长桁一同送入热压罐固化，得到 一个整体的复合材料机身段，最后卸模取出成品 （图 2）[7]。 (a) 缠绕成型的机身壳 (b) 机身段内部共固化的桁、梁 图 2 B-787 复合材料机身段 Fig. 2 CFRP fuselage sector of B-787 B-787复合材料机身段不仅是世界上最大的缠 绕机身部件，而且被认为是用碳纤维制造出的最大 的压力容器。复合材料极高的拉伸/环向强度使它 能承受更高的客舱内部压力，使得舱内的压力保持 在海拔 6000 英尺（1830 m）高度时的气压，而不 是通常的 7000～9000 英尺，乘员会感觉更加舒适。 复合材料抗腐蚀（金属机身的最大弱点是易被腐 蚀），机舱内湿度可以恒定在 10%～15%（金属机 身内湿度只能保持在 5%～10%之间），这也同样增 加了乘员的舒适度。B-787 的推出成为近几年民用 航空领域最热门的话题。 复合材料影响力如此之大，迫使空客改弦易辙， 彻底重新设计 A-350。新飞机改名为 A-350 XWB， XWB 意为超宽机身，并采用复合材料，使原计划 40%的复合材料用量提升到 52%。A-350XWB 的机 体比 B-787 还宽 13 cm，在高密度下可以每排布置 9 座，而 B-787 每排最多只能布置 8 座。A-350XWB 也将把座舱压力设在相当于 6000 英尺的高度，采 用增大的机窗和先进的机上电子娱乐系统，更体现 出人性化。 民机复合材料机身可被认为是复合材料发展 的一个里程碑，不仅使复合材料用量跨越式提升， 而且对设计、制造和维修提出新的挑战。空客之前 曾对 B-787 略有微词，提到全复合材料机身的安全 问题。现在自己面对同样问题时，空客决定不套波 音的老路，而是另辟蹊径，对 A-350XWB 复合材 料机身提出了一个所谓“4 个蒙皮壳板”的创新概 念 （ 4-shell skin panel concept for innovative fuselage），如图 3(a)所示[8]。不同于 B-787 的全复 合材料机身，这种创新型的机身采用铝合金框架
第4期 唐见茂:航空航天复合材料发展现状及前景 355 然后再将上、下、左、右4块复合材料蒙皮壳板铆到武器装备的跨越式提升和型号硏制的成败。碳纤 接到铝合金框架上。如图3(b)所示,铝合金框架正维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳 放置在成型好的复合材料蒙皮壳板上 纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发 动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上。 2.1卫星及空间站的结构材料和部件 高模量碳纤维质量小,刚性大,尺寸稳定性和 导热性好,很早就应用于人造卫星结构体、太阳能 (a)4蒙皮板机身概念(b)复合材料壳板上放置铝合金框架 图3A-350XWB复合材料机身新概念 电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳 Fig 3 New concept of A-350XWB fuselage 能电池板多采用碳纤维复合材料制作,而空间站和 空客认为,复合材料的蒙皮壳板可以做得很长天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用 (最大长度达19m),只用不多的铆接沿轴向就能碳纤维复合材料作为主要材料。 很好地固定到铝合金框架上,同样具有显著减重效 果。更重要的是,如果机身某一部位损坏,维修时2.2导弹用结构材料 只要将损坏的蒙皮壳缠绕设备,图4a)是成型好的 导弹发射筒采用先进复合材料保守估计可降 复合材料上蒙皮壳体,图4(b)是组装好的复合材料低重量30%,对于提高地面生存能力至关重要,同 机身段 时,复合材料的耐环境腐蚀、耐疲劳等优点,可以 显著提高发射筒的重复使用寿命,降低发射成本。 2.3运载火箭用结构材料 美国、日本、法国的固体火箭发动机壳体主要 采用碳纤维复合材料,例如美国三叉戟-2导弹、战 (a)复合材料机身段上蒙皮板(b)组装好的复合材料机身段 斧式巡航导弹、大力神-4火箭、法国的阿里安-2火 图4A-350XWB复合材料机身 Fig 4 Composite fuselage of A-350XWB 箭改型、日本的M5火箭等的发动机壳体,其中使 复合材料机身技术复杂、集成度高,是航空复用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为 合材料技术最后的制高点。尽管B787和A-350XWB53GPa的IM7碳纤维,性能最高的是东丽T800 都采用了复合材料机身,但对于复合材料机身这个 纤维,抗拉强度565GPa、杨氏模量300GPas 直存在争议的问题,最后结果有待时日证明。 2.4功能复合材料 复合材料在新一代民机上用量的急剧增长主要 功能材料在航天领域的应用更为广泛,其中最 应归功于其技术的发展和成熟,如自动铺带(AT)重要的是返回式航天器的表面热防护功能材料。航 机、自动纤维铺放(AIL)机、树脂传递成型(RIM)天飞行器(导弹、火箭、飞船、航天飞机等)以高 和树脂膜熔渗(RFD技术的发展,大大降低了复合超声速往返大气层时,在气动加热下,其表面温度 材料的生产成本。20世纪90年代初的复合材料结 高达400~8000℃:固体和液体火箭发动机工作 构制造成本为1100美元kg,现在已降到275 时,燃烧室产生的高速气流冲刷喷管,烧蚀最苛刻 330美元/g 的喉衬部位温度瞬间可超过3000℃。因此必须采 2航天应用 取有效的热防护措施,以保护内部结构在一定温度 以高性能碳(石墨)纤维复合材料为典型代表范围内正常工作。目前主要的方法是通过表面材料 的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体的自身烧蚀引起质量损失,吸收并带走大量的热 化构件材料,在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也量,阻止外部热量向结构内部传递。所用材料包括 发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系碳-碳复合材料、耐烧蚀纤维陶瓷隔热材料,而梯 o1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
第 4 期 唐见茂：航空航天复合材料发展现状及前景 355 然后再将上、下、左、右 4 块复合材料蒙皮壳板铆 接到铝合金框架上。如图 3(b)所示，铝合金框架正 放置在成型好的复合材料蒙皮壳板上。 (a) 4-蒙皮板机身概念 (b) 复合材料壳板上放置铝合金框架 图 3 A-350XWB 复合材料机身新概念 Fig. 3 New concept of A-350XWB fuselage 空客认为，复合材料的蒙皮壳板可以做得很长 （最大长度达 19 m），只用不多的铆接沿轴向就能 很好地固定到铝合金框架上，同样具有显著减重效 果。更重要的是，如果机身某一部位损坏，维修时 只要将损坏的蒙皮壳缠绕设备，图 4(a)是成型好的 复合材料上蒙皮壳体，图 4(b)是组装好的复合材料 机身段。 (a) 复合材料机身段上蒙皮板 (b) 组装好的复合材料机身段 图 4 A-350XWB 复合材料机身 Fig. 4 Composite fuselage of A-350XWB 复合材料机身技术复杂、集成度高，是航空复 合材料技术最后的制高点。尽管 B-787 和 A-350XWB 都采用了复合材料机身，但对于复合材料机身这个一 直存在争议的问题，最后结果有待时日证明。 复合材料在新一代民机上用量的急剧增长主要 应归功于其技术的发展和成熟，如自动铺带（ATL） 机、自动纤维铺放（ATL）机、树脂传递成型（RTM） 和树脂膜熔渗（RFI）技术的发展，大大降低了复合 材料的生产成本。20 世纪 90 年代初的复合材料结 构制造成本为 1100 美元/kg，现在已降到 275～ 330 美元/kg。 2 航天应用 以高性能碳（石墨）纤维复合材料为典型代表 的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体 化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也 发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系 到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。碳纤 维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳 纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发 动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上[9]。 2.1 卫星及空间站的结构材料和部件 高模量碳纤维质量小，刚性大，尺寸稳定性和 导热性好，很早就应用于人造卫星结构体、太阳能 电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳 能电池板多采用碳纤维复合材料制作，而空间站和 天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用 碳纤维复合材料作为主要材料。 2.2 导弹用结构材料 导弹发射筒采用先进复合材料保守估计可降 低重量 30%，对于提高地面生存能力至关重要，同 时，复合材料的耐环境腐蚀、耐疲劳等优点，可以 显著提高发射筒的重复使用寿命，降低发射成本。 2.3 运载火箭用结构材料 美国、日本、法国的固体火箭发动机壳体主要 采用碳纤维复合材料，例如美国三叉戟-2 导弹、战 斧式巡航导弹、大力神-4 火箭、法国的阿里安-2 火 箭改型、日本的 M-5 火箭等的发动机壳体，其中使 用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为 5.3 GPa 的 IM-7 碳纤维，性能最高的是东丽 T-800 纤维，抗拉强度 5.65 GPa、杨氏模量 300 GPa。 2.4 功能复合材料 功能材料在航天领域的应用更为广泛，其中最 重要的是返回式航天器的表面热防护功能材料。航 天飞行器（导弹、火箭、飞船、航天飞机等）以高 超声速往返大气层时，在气动加热下，其表面温度 高达 4000～8000 ℃；固体和液体火箭发动机工作 时，燃烧室产生的高速气流冲刷喷管，烧蚀最苛刻 的喉衬部位温度瞬间可超过 3000 ℃。因此必须采 取有效的热防护措施，以保护内部结构在一定温度 范围内正常工作。目前主要的方法是通过表面材料 的自身烧蚀引起质量损失，吸收并带走大量的热 量，阻止外部热量向结构内部传递。所用材料包括 碳-碳复合材料、耐烧蚀纤维陶瓷隔热材料，而梯 铝合金 框架 复合材料 蒙皮壳板
航天器环境工程 第30卷 度功能复合材料是新近研发的一种热防护材料,成杨氏模量(200~280GPa) 为倍受关注的研究热点0 2)中模(IM)纤维,杨氏模量300GPa 与均匀功能复合材料不同,梯度功能复合材料 3)高模(HM)纤维,杨氏模量超过350GPa 的主要特征一是材料的组分和结构呈连续梯度变 碳纤维另一个重要发展特点是大丝束产品。大 化:二是材料内部没有明显的界面;三是材料的性丝束是碳纤维产品多元化的一个重要方面,主要目 质也相应呈连续梯度变化(图5)。 的是加快纤维铺放速率,从而提高复合材料生产效 率,降低制造成本。这方面的研究内容主要是制取 廉价原丝技术(包括大丝束化、化学改性、用其他 纤维材料取代聚丙烯腈纤维)、等离子预氧化技术、 898:· 。°。° 微波碳化和石墨化技术等 ①耐热程度 碳纤维按用途大致可分24K以下的宇航级小 ②热传导率 丝束碳纤维(1K的含义为一条碳纤维丝束含1000 ●◆●◇·◇ 根单丝)和48K以上的工业级大丝束碳纤维。目 (a)梯度功能复合材料 (b)均匀功能复合材料 前小丝束碳纤维基本为日本 Toray(东丽)、 Tenax 图5两种功能复合材料比 (东邦)与 Mitsubishi Rayon(三菱人造丝)所垄 Fig 5 Comparison between two kinds of functional composite 断。而大丝束碳纤维主要生产国是美国、德国与日 梯度功能复合材料的设计思想是高温侧壁采用 本,产量大约是小丝束碳纤维的3%左右,最大支 耐热性好的陶瓷材料,以适应几千摄氏度高温气体数发展到480K。工业级大丝束碳纤维可有效降低 的环境。低温侧壁使用导热和强度好的金属材料, 复合材料成本,但随之带来的是树脂浸润不够充分 与飞行器表面连接。由于该材料内部不存在明显的和均匀性方面的问题1 界面,陶瓷和金属的组分呈连续变化,物性参数也312基体 呈连续变化。材料从陶瓷过渡到金属的过程中,其 基体是复合材料另一个主要组分材料,包括金 耐热性逐渐降低,机械强度逐渐升高,热应力在材属基体、陶瓷基体和树脂基体,主流是树脂基体 料两端均很小,可有效地保护飞行器表面 目前作为轻质高效结构材料应用的高性能树脂基体 3航空航天复合材料未来发展 主要有三大类,即:150℃以下长期使用的环氧树 脂基体,150~220℃长期使用的双马来酰亚胺树脂 3.1材料新技术 基体,250℃以上使用的聚酰亚胺树脂基体2。 3.1.1碳纤维 环氧基体用量最多,具有综合性能优异、工艺 碳纤维是复合材料中的重要组分材料,分宇航性好、价格低等诸多优点,在马赫数小于1.5的军 级和工业级,其中宇航级是重要的战略物资。其发机和民机上得到广泛应用。双马基体主要用在马赫 展特点总的来说是高性能化和多元化。高强度是碳数大于等于1.5的高性能战斗机上。聚酰亚胺基体 纤维不断追求的目标之一,以国际上最大的PAN主要用于发动机叶片和冷端部件。 基碳纤维供应商日本东丽(Toay)为例,自197 环氧基体由于固化后的分子交联密度高、内应 年T300(强度3535MPa)进入市场以来,碳纤维力大,存在质脆、耐疲劳性差、抗冲击韧性差等缺 的拉伸强度得到很大提高,经过了T700和T800到点。对于航空结构复合材料,环氧树脂的增韧改性 T1000三个阶段,T1000的拉伸强度己达6370MPa, 直是重要的研究课题,双马基体也有类似问题。 T800是目前民机复合材料生产的主流纤维 几十年来,增韧改性技术取得长足发展,包括橡胶 根据不同的使用要求,发展相应的产品。如东弹性体增韧、热致液晶聚合物增韧、热塑性树脂互 丽碳纤维目前分三大类: 穿网络增韧以及纳米粒子增韧等2,新的品种不断 1)高拉伸强度(HT)纤维,具有相对较低的得到开发,使用经验在不断积累,环氧复合材料技 o1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
356 航 天 器 环 境 工 程 第 30 卷 度功能复合材料是新近研发的一种热防护材料，成 为倍受关注的研究热点[10]。 与均匀功能复合材料不同，梯度功能复合材料 的主要特征一是材料的组分和结构呈连续梯度变 化；二是材料内部没有明显的界面；三是材料的性 质也相应呈连续梯度变化（图 5）。 (a) 梯度功能复合材料 (b) 均匀功能复合材料 图 5 两种功能复合材料比较 Fig. 5 Comparison between two kinds of functional composite 梯度功能复合材料的设计思想是高温侧壁采用 耐热性好的陶瓷材料，以适应几千摄氏度高温气体 的环境。低温侧壁使用导热和强度好的金属材料， 与飞行器表面连接。由于该材料内部不存在明显的 界面，陶瓷和金属的组分呈连续变化，物性参数也 呈连续变化。材料从陶瓷过渡到金属的过程中，其 耐热性逐渐降低，机械强度逐渐升高，热应力在材 料两端均很小，可有效地保护飞行器表面[10]。 3 航空航天复合材料未来发展 3.1 材料新技术 3.1.1 碳纤维 碳纤维是复合材料中的重要组分材料，分宇航 级和工业级，其中宇航级是重要的战略物资。其发 展特点总的来说是高性能化和多元化。高强度是碳 纤维不断追求的目标之一，以国际上最大的 PAN 基碳纤维供应商日本东丽（Toray）为例，自 1971 年 T300（强度 3535 MPa）进入市场以来，碳纤维 的拉伸强度得到很大提高，经过了 T700 和 T800 到 T1000 三个阶段，T1000 的拉伸强度已达 6370MPa， T800 是目前民机复合材料生产的主流纤维。 根据不同的使用要求，发展相应的产品。如东 丽碳纤维目前分三大类： 1）高拉伸强度（HT）纤维，具有相对较低的 杨氏模量（200～280 GPa）。 2）中模（IM）纤维，杨氏模量 300 GPa。 3）高模（HM）纤维，杨氏模量超过 350 GPa。 碳纤维另一个重要发展特点是大丝束产品。大 丝束是碳纤维产品多元化的一个重要方面，主要目 的是加快纤维铺放速率，从而提高复合材料生产效 率，降低制造成本。这方面的研究内容主要是制取 廉价原丝技术（包括大丝束化、化学改性、用其他 纤维材料取代聚丙烯腈纤维）、等离子预氧化技术、 微波碳化和石墨化技术等。 碳纤维按用途大致可分 24 K 以下的宇航级小 丝束碳纤维（1 K 的含义为一条碳纤维丝束含 1000 根单丝）和 48 K 以上的工业级大丝束碳纤维。目 前小丝束碳纤维基本为日本 Toray（东丽）、Tenax （东邦）与 Mitsubishi Rayon（三菱人造丝）所垄 断。而大丝束碳纤维主要生产国是美国、德国与日 本，产量大约是小丝束碳纤维的 33%左右，最大支 数发展到 480 K。工业级大丝束碳纤维可有效降低 复合材料成本，但随之带来的是树脂浸润不够充分 和均匀性方面的问题[11-12]。 3.1.2 基体 基体是复合材料另一个主要组分材料，包括金 属基体、陶瓷基体和树脂基体，主流是树脂基体。 目前作为轻质高效结构材料应用的高性能树脂基体 主要有三大类，即：150 ℃以下长期使用的环氧树 脂基体，150～220 ℃长期使用的双马来酰亚胺树脂 基体，250 ℃以上使用的聚酰亚胺树脂基体[12]。 环氧基体用量最多，具有综合性能优异、工艺 性好、价格低等诸多优点，在马赫数小于 1.5 的军 机和民机上得到广泛应用。双马基体主要用在马赫 数大于等于 1.5 的高性能战斗机上。聚酰亚胺基体 主要用于发动机叶片和冷端部件。 环氧基体由于固化后的分子交联密度高、内应 力大，存在质脆、耐疲劳性差、抗冲击韧性差等缺 点。对于航空结构复合材料，环氧树脂的增韧改性 一直是重要的研究课题，双马基体也有类似问题。 几十年来，增韧改性技术取得长足发展，包括橡胶 弹性体增韧、热致液晶聚合物增韧、热塑性树脂互 穿网络增韧以及纳米粒子增韧等[12]，新的品种不断 得到开发，使用经验在不断积累，环氧复合材料技