先进复合材料与航空航天

先进复合材料与航空航天

摘 要: 复合化是新材料的重要发展方向, 先进复合材料已经成为航空航天结构的基本材料之一。本文中阐述了先进复合材料在航空航天领域的应用需求和现状, 介绍了诸如点阵、纳米、多功能复合材料与结构等研发热点和前沿技术, 并讨论了其研发与应用趋势。最后, 重点讨论了复合材料的原材料技术、低成本技术、设计/ 评价一 体化技术等亟待解决的问题。

关键词: 先进复合材料; 航空航天; 低成本; 设计/ 评价一体化

1.先进复合材料是航空航天的重要物质基础与先导技术

1. 1 先进复合材料已成为四大类材料之一

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[1 ] , 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[2 ] 。所谓先进复合材料( Advanced composite material s , 简称ACM) 是指用碳纤维等高性能增强相增强的复合材料, 对于先进树脂基复合材料, 在综合性能上与铝合金相当, 但比刚度比强度高于铝合金[3 ] 。本文中主要针对先进复合材料(主要指先进树脂基复合材料) 及其在航空航天中的应用进行评述与讨论.

1. 2 先进复合材料的优越性

先进复合材料的高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计等优势已被世人所共识, 与传统材料相比, 复合材料具有如下特点:

(1) 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, 大幅度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, 但它不是几种材料的简单混合,而是按照复合效应形成的新的性能, 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) 材料性能对复合工艺的依赖性。复合材料结构在形成过程中有组分材料的物理和化学变化,因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性较大, 同时也由于在成形过程中很难准确地控制工艺参数, 使其性能的分散性较大。

(5) 多功能性和发展性。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, 使复合材料拥有吸波、透波、耐热、防热、隔热、导电、记忆、阻尼、摩擦、阻燃、透析等功能; 同时与其它先进技术相结合, 如与纳米技术结合发展的纳米复合材料, 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, 赋予了先进复合材料新的内涵。随着先进复合材料研究、研制及应用的不断扩大, 其优越性能越来越得到充分发挥和扩大。

1. 3 先进复合材料已发展成为航空航天结构的基本材料

将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重20 %～30 % , 这是其他先进技术很难达到的效果。美国NASA 的Langley 研究中心在航空航天用先进复合材料发展报告中指出, 各种先进技术的应用可以使亚音速运输机获得51 %的减重(相对于起飞重量) 效益, 其中, 气动设计与优化技术减重416 % , 复合材料机翼机身和气动剪裁技术减重2413 %, 发动机系统和热结构设计减重13. 1 % , 先进导航与飞行控制系统减重9 %[4 ] , 说明了先进复合材料的应用减重最明显。

航空领域的材料体系更强调性能与可靠性的综合, 先进复合材料的应用不仅具有减重的效益, 而且还使飞机结构的其他性能得到提升。例如复合材料的气动剪裁技术可显著提高结构效率[5 ] ; 整体成形技术可有效减少连接, 提高结构可靠性, 降低成本; 复合材料耐腐蚀抗疲劳特点可降低维护成本。

2 先进复合材料的研发热点

2. 1 原材料技术是先进复合材料研发的基础与前提

目前关于碳纤维的研究主要是提高模量和强度, 降低生产成本。使用的纤维先驱体仍然主要是PAN 和沥青纤维, 二者的用量比例约为6∶1 。一般来说, PAN 基碳纤维具有高强度, 而沥青基碳纤维具有高模量。但通过控制微观结构缺陷、结晶取向、杂质和改善工艺条件, 利用PAN 或沥青纤维均可获得高强/ 高模纤维。事实上到目前为止, 要稳定生产模量> 700 GPa 和强度> 5. 5 GPa 的高模高强碳纤维, 仍然是非常困难的。碳纤维的压缩强度较低, 离子注入技术可改善碳纤维的压缩强度,但这种工艺成本很高。

2. 2 新型复合材料是先进复合材料可持续发展的趋势与动力

新型航空航天器的发展不断追求高效能、低成本、长寿命、高可靠, 对其材料与结构的综合要求越来越高。为适应此应用需求, 一些新型复合材料应运而生, 在现有材料性能基础上继续挖掘先进复合材料潜力, 如超轻材料与结构技术力求轻上加轻,纳米复合使其强上加强, 多功能化追求功上加功。

2. 2.1 纳米复合材料

纳米材料科学是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学, 而且涉及到原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等诸多学科, 由于纳米材料体系具有许多独特的性质, 在实际应用和理论上都具有极大的研究价值, 应用前景广阔, 成为近些年来材料科学领域研究的热点之一, 被誉为21 世纪最有前途的材料。纳米复合材料已经成为先进复合材料技术的一个新增长点, 也是先进复合材料技术研究最活跃的前沿领域之一。纳米复合材料的超常特性使其在航空航天等领域具有广泛的应用前景。

2. 2.2 多功能复合材料与结构

从20 世纪50 、60 年代的复合型多功能复合材料到现在的多功能一体化复合材料, 多功能复合材料的发展历史已近40 年, 在这几十年中,不仅多功能复合

材料的概念、结构和种类都发生了巨大变化, 而且其应用领域也由战略导弹扩展到卫星、航天飞机等各种宇航系统中, 多功能复合材料的发展为航天工业和武器系统的发展打下了坚实的基础。新兴的多功能一体化型复合材料从一问世即引起了广泛的重视, 20 世纪90 年代后, 美国军方特别注重多功能复合材料的研究与发展, 明确地指出该种材料在未来战争中将起到举足轻重的作用。多功能

复合材料的发展速度极快,材料种类也不断增多,材料的功能性也不断增强。其未来的发展方向是不断满足现有型号和各种新型号的需要, 努力提高功能性,即将尽可能多的功能集于某一种单一材料上.

2. 3 设计/ 评价一体化技术是先进复合材料应用的重要支撑与保障

复合材料作为多相体(夹杂、基体、界面相等)材料, 其自身具有显著和丰富的细观结构特征, 因此其宏观性能和损伤、失效规律不仅取决于每一组分材料的特性, 同时还依赖于复合材料的细观结构特征, 其中包括夹杂(如纤维、晶须、颗粒、裂纹、空洞等) 的体积分数、形状、尺寸、分布规律及界面形式等[ 6 ] 。复合材料还具有材料2结构2工艺一体化的特征, 尤其对多向编织复合材料和纤维缠绕先进复合材料来说, 构件的材料和结构的设计与制造都包含组分材料2复合材料2结构三个层次上的同时性, 没有复合材料的成品或中间产品。因此, 对复合材料的研究必须采用“设计/ 评价”一体化的研究思想。

3 我国先进复合材料可持续研发与应用中急需解决的问题

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。国外预测我国将成为最大的复合材料制造商和用户, 预计2010 年中国的需求量将占世界的1/ 4[7 ] .

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也面临着很大的挑战, 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 %。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

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再有就是数据积累的问题。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。最后, 就是规范和标准问题。将复合材料的设计和鉴定文件化、规范化, 使试验和分析更好地结合起来, 形成设计和鉴定的统一指南, 编制全行业的技术标准, 显著改进最终产品的一致性, 减小风险、降低成本。典型的有MIL 2 HDB K217 的重新修订, 由FAA、NASA 、军方和工业界共同组织200 多位专家重新修订出版其新3 卷本于1999 年完成。 4 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:

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[3 ] Robert I M. Advanced composite st ructures research in Aus2t ralia [J ] .Composite St ructures , 2002 , 57 : 3 10.

[ 4 ] Darrel T , Byron R P. Advanced composites development foraerospace applications [ EB/ OL ] . [ 2006 12 27 ] . http :// cite2seer . ist . psu. edu/ cache/ papers/ cs/ 29702/ ftp :

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[ 6 ] 杜善义, 王 彪. 复合材料细观力学[M] . 北京: 科学出版

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[ 7 ] Ben Rasmussen. What t he composite indust ry needs [ EB/OL ] . (2001 01) [ 2006 12 27 ] . http : // www. composites2 world. com/ hpc/ issues/ 2005/ J anuary/ 689/ 1.