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