復(fù)合材料在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

1、1復(fù)合材料在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望摘要現(xiàn)代飛機(jī)和衛(wèi)星的制造材料應(yīng)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等特性，先進(jìn)復(fù)合材料的獨(dú)有性能使它成為制造衛(wèi)星和飛機(jī)的理想材料。本文重點(diǎn)介紹了我國(guó)航天用符合材料的研究情況，并展望了今后的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞復(fù)合材料；航空航天；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)ProspectApplicationofCompositesinAviationAerospaceAbstractNowadaysthematerialofp

2、roducingplanessatellitesshouldbelightstrongshouldresisthightemperaturecrosionsoon.Becauseoftheuniquepeculiaritiesadvancedcompositesbecometheidealmaterialofproducingplanessatellites.Inthispaperthepresentstatusprospectofap

3、pliedresearchoncompositematerialsfaerospaceapplicationinChinaaregiven.Keywdscompositesaviationaerospaceapplicationdevelopmentdevelopmenttrends3由于具有密度小、比強(qiáng)度高和耐高溫等固有特性，復(fù)合材料在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣且比例越來(lái)越大，使航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)向“非金屬發(fā)動(dòng)機(jī)”或“全復(fù)合材料發(fā)

4、動(dòng)機(jī)”方向發(fā)展。(1)樹(shù)脂基復(fù)合材料憑借比強(qiáng)度高，比模量高，耐疲勞與耐腐蝕性好，阻噪能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件(風(fēng)扇機(jī)匣、壓氣機(jī)葉片、進(jìn)氣機(jī)匣等)和發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、反推力裝置等部件上得到廣泛應(yīng)用。(2)碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料憑借密度小(有的僅為鎳基合金的12)，比剛度和比強(qiáng)度高，耐溫性好等優(yōu)點(diǎn)，碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料在壓氣機(jī)葉片、整體葉環(huán)、盤(pán)、軸、機(jī)匣、傳動(dòng)桿等部件上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。(3)陶瓷基復(fù)合材料

5、目前主要的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品是以SiC或C纖維增強(qiáng)的SiC和SiN基復(fù)合材料。憑借密度較小(僅為高溫合金的13～14)，力學(xué)性能較高，耐磨性及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，陶瓷基復(fù)合材料，尤其是纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫靜止部件(如噴嘴、火焰穩(wěn)定器)，并正在嘗試應(yīng)用于燃燒室火焰筒、渦輪轉(zhuǎn)子葉片、渦輪導(dǎo)流葉片等部件上。1.2.2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管壁受到高速氣流的沖刷，工作條件十分惡劣，因此CC最早用作其噴管喉襯

6、，并由二維、三向發(fā)展到四向及更多向編織。同時(shí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者多年來(lái)一直企圖將具有高抗熱震的CtSiC用于發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的擴(kuò)散段，但Ct的體積分?jǐn)?shù)高，易氧化而限制了其廣泛應(yīng)用，隨著CVD、CVI技術(shù)的發(fā)展，新的抗氧化CtSiC及CCSiC必將找到其用武之地。目前為解決固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)承載問(wèn)題，美國(guó)和法國(guó)正在進(jìn)行陶瓷纖維混合碳纖維而編織的多向(6向)基質(zhì)、以熱穩(wěn)定氧化物為基體填充的陶瓷復(fù)合材料。SiC陶瓷制成的喉襯、內(nèi)襯已進(jìn)行多次點(diǎn)火試驗(yàn)。今

7、天作為火箭錐體候選材料的有A12O3、ZrO2、ThO2等陶瓷，而作為火箭尾噴管和燃燒室則采用高溫結(jié)構(gòu)材料有SiC、石墨、高溫陶瓷涂層等。1.3衛(wèi)星和宇航器上的應(yīng)用衛(wèi)星和宇航器上的應(yīng)用衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的輕型化對(duì)衛(wèi)星功能及運(yùn)載火箭的要求至關(guān)重要，所以對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求很?chē)?yán)。國(guó)際通訊衛(wèi)星VA中心推力筒用碳纖維復(fù)合材料取代鋁后減質(zhì)量23kg(約占30%)，可使有效載荷艙增加450條電話線路，僅此一項(xiàng)盈利就接近衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用。美、歐衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量不到總

8、質(zhì)量的10%，其原因就是廣泛使用了復(fù)合材料。目前衛(wèi)星的微波通訊系統(tǒng)、能源系統(tǒng)(太陽(yáng)能電池基板、框架)各種支撐結(jié)構(gòu)件等已基本上做到復(fù)合材料化。我國(guó)在“風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星”及“神舟”系列飛船上均采用了碳環(huán)氧復(fù)合材料做主承力構(gòu)件，大大減輕了整星的質(zhì)量，降低了發(fā)射成本。2未來(lái)展望未來(lái)展望2.1原材料技術(shù)原材料技術(shù)復(fù)合材料發(fā)展的基礎(chǔ)和前提是原材料技術(shù)，主要包括基體和增強(qiáng)體，而其中增強(qiáng)纖維技術(shù)尤為重要。高模量和高強(qiáng)度的纖維既能為基體分擔(dān)大部分外加應(yīng)力

9、，又可阻礙裂紋的擴(kuò)展，并且當(dāng)局部纖維發(fā)生斷裂時(shí)以“拔出功”的形式消耗部分能量，起到提高斷裂能并克服脆性的效。目前關(guān)于碳纖維的研究主要是提高模量和強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本。使用的纖維先驅(qū)體仍然主要是PAN（聚丙烯腈）和瀝青纖維，二者所用物質(zhì)的量比約為6:1。一般來(lái)說(shuō)PAN基碳纖維具有高強(qiáng)度，而瀝青基碳纖維具有高模量。但通過(guò)控制微觀結(jié)構(gòu)缺陷、結(jié)晶取向、雜質(zhì)和改善工藝條件，利用PAN或?yàn)r青纖維均可獲得高強(qiáng)高模纖維。事實(shí)上到目前為止，要穩(wěn)定生產(chǎn)模量大