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复合材料在航空航天中的应用 姓名：
史宏硕
摘要：
复合材料， 特别是碳纤维复合材料， 由于具有比强度高， 比刚度高、 可设计性强、 抗疲劳断裂性能好、 耐腐蚀、 结构尺寸稳定、便于大面积整体成型的独特优点， 在航空航天器结构上已经得到广泛的应用 ， 现已经成为航空航天领域继铝、 钢、 钛之后使用 的四大结构材料之一。
复合材料在航空航天领域的除主要用 作为结构材料之外，在许多 情况下还可以满足种种功能性需要， 诸如透波、 隐身等使结构具有承载和特殊功能于一体。
关键字：
复合材料、 飞机、 航天、 火箭
一、 复合材料在飞机上的应用
先进复合材料在航空、 航天飞行器结构上应用获得了成功， 现在已经成为飞机机体结构和铝合金、 钛合金、 钢并驾齐驱的四大结构材料之一。
先进复合材料无论是在军用飞机还是民用飞机上的应用发展很快， 用量呈逐年上升的趋势， 先进树脂基符合材料的用量已成成为飞机先进性的一个重要标志。
（一）、 在军用飞机上的应用。
从 20 世纪 70 年代开始到 80 年代中期的 10 多年间， 复合材料处于起步发展阶段。
这一阶段的复合材料应用主要是老机种的金属结构等代设计， 即在保持原结构强度、 刚度等性能不变的情况下， 把原来的金属结构换成复合材料结构， 已达到减轻重量的目的。
从 20 世纪
80 年代中期至 90 年代中期， 随着新一代高性能战斗机的研制成功，复合材料的应用进入了成熟阶段。
在这些飞机复合材料设计概念 （如：气动弹性剪裁、 胶接结构设计、 连接设计、 功能-结构综合等）、 复合材料新工艺（如：
整体共固化结构、 编织、 缝合、 缠绕等）， 使复合材料的应用达到一个崭新的水平。
从 20 世纪 90 年代开始， 第四代先进战斗机的研制成功成为全球军事强国的热门话题。
第四代战斗机的主要特征是突出的隐身性能、 超音速巡航能力、 超视距作战能力和适合多钟战术用途。
（二）、 在直升机上的应用。
从 20 世纪 70 年代以来， 随着复合材料的科学技术的日益进步，直升机的新技术层出不穷。
首先， 复合材料的优点（如：
比强度、 比刚度高， 抗疲劳寿命长， 损伤容限大， 材料内阻尼高， 可模压成型，材料自身的可设计性）
为旋翼桨叶气动外型的促进和优化、 旋翼动力学特性的优化提供了可能， 更重要的是复合材料使处在交变载荷作用下的旋翼寿命大幅度提高， 可达 10000h（金属桨叶的寿命一般不超过 300h）， 甚至无限， 并能做到“视情可换”、“视情维护”。
其次，复合材料的特征（如：
良好的破损安全性能， 耐撞击， 对缺口效应不敏感）
适应了武装直升机的要求。
（三）、 在涡轮发动机上的应用。
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。
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,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。
碳化硅纤维增强的钛基复合材料凭借密度小(有的仅为镍基合金的 1/2) , 比刚度高， 比强度高, 耐温性好等优点, 在压气机叶片、 整体叶环、 盘、 轴、 机匣、 传动杆等部件上已经得到了广泛应用。
目前主要的陶瓷基复合材料产品是指 SiC 或 C 纤维增强的 SiC 和 SiN 基复合材料， 凭借密度较小(仅为高温合金的 1/3—1/4) , 力学性能较高, 耐磨性及耐腐蚀性好等优点,已经开始应用于发动机高温静止部件(如喷嘴、 火焰稳定器) , 并正在尝试应用于燃烧室火焰筒、 涡轮转子叶片、 涡轮导流叶片等部件。
二、 复合材料在航天上的应用 （一）、 在人造地球卫星系统的应用。
人造地球卫星使用的复合材料， 确保尺寸稳定性和刚性为第一设计条件， 如卫星的喇叭天线暴露于太阳直射下时， 大致温度有 160℃，而进入地球阴影内时则约为-160℃， 并反复循环， 为保证天线镜面的精度， 就必须减少它的热变形。
再如对展开型的大型太阳电池帆板而言， 则应以刚性要求为优先考虑， 由于向阳面和向背阳面的温差很大，如果采用一般的金属材料， 向阳面与背阳面膨胀不一致， 翻版就会卷曲， 产生损坏， 因此必须使用热膨胀系数为零的复合材料来制作， 不管温度如何变化， 都不产生变形。
采用碳纤维增强材料、 环氧树脂为基体材料是理想的选择。
轻质高强是人造地球卫星使用的复合材料另一个重要的性能， 它可以使人造地球卫星在确保一定的强度和刚度的
前提下， 具有最小的重量， 节约发射费用。
（二）、 在火箭发动机上的应用。
由于火箭发动机喷管壁受到高速气流的冲刷, 工作条件十分恶劣,因此 C/C 最早用作其喷管喉衬, 并由二维、 三向发展到四向及更多向编织。
同时火箭发动机设计者多年来一直企图将具有高抗热震的Ct/SiC 用于发动机喷管的扩散段, 但 Ct 的体积分数高, 易氧化而限制了其广泛应用, 随着 CVD、 CVI 技术的发展, 新的抗氧化 Ct/SiC 及 C -C/SiC 必将找到其用武之地。
Melchior 等认为 C 纤维 CMC、 陶瓷纤维 CMC 以及 C/C 复合材料, 特别是以 SiC 为纤维或基体的 CMC 抗氧化,耐热循环和烧蚀, 是液体火箭发动机燃烧室和喷管的理想材料, 并进行了总数为 31 个的长达 20000s 的燃烧室和喷管点火试验, 内壁温度高达 1732 , 一个 600kg 发动机成功地点火七次, 温度为 1449。
目前为解决固体火箭发动机结构承载问题, 美国和法国正在进行陶瓷纤维混合碳纤维而编织的多向(6 向) 基质、 以热稳定氧化物为基体填充的陶瓷复合材料。
SiC 陶瓷制成的喉衬、 内衬已进行多次点火试验。
今天作为火箭锥体候选材料的有 A12O3、 ZrO2、 ThO2 等陶瓷, 而作为火箭尾喷管和燃烧室则采用高温结构材料有 SiC、 石墨、 高温陶瓷涂层。
（三）、 在战略导弹上的应用。
由于战略导弹对结构质量的要求非常严格， 采用先进复合材料对增大射程、 提高精度意义非常显著， 弹头和上面级发动机惰性质量每减少ｌ ｋ ｇ ， 可使洲际导弹射程增大２ ０ ｋ ｍ， 因此先进聚合物基结构复合材料的应用非常普遍， 复合材料技术的几次重大飞跃推动战略
导弹性能发生了本质的变化。
固体发动机壳体是战略导弹应用复合材料最活跃的领域， 其发展非常快。
表征壳体性能的特性系数（Ｐ Ｖ／Ｗ）
已从早年的５ ～８ ｋ ｍ提高到当前的５ ０ ｋ ｍ。
美国早期的“北极星”、 “民兵”、 “海神”导弹使用玻璃钢壳体， 继后美国的“三叉戟一１ ”、 ＭＸ， 法国的Ｍ一４ 和前苏联的Ｓ Ｓ 一２ ４ 、 Ｓ Ｓ 一２ ５ 导弹都采用了先进的芳纶材料， 而后来美国的“侏儒”和“三叉戟一２ ”、 法国的Ｍ一５ 导弹则采用更先进的碳纤维材料。
我国采用复合材料制作的固体发动机壳体的性能也达到很高水平。
战略导弹应用复合材料的另一个领域是仪器舱。
美国“三叉戟一１ ” 潜地导弹仪器舱采用环氧树脂／ 碳纤维结构， 其支架、 支座、 托架等共有１ ０ ０ 多个部件采用石墨纤维复合材料， 比铝合金部件轻２ ５ ％～３ ０ ％， 减重效果非常显著； 后来的“三叉戟一２ ” 仪器舱又采用整体“交叉梁” 结构。
复合材料还促进了 战略导弹的机动发射。
美国ＭＸ 导弹的发射筒长２２ ． ４ ｍ、 直径２ ． ５ ｍ， 采用高强度钢时， 其结构质量超过１ ０ ０ｔ ， 而选用ＨＢ ＲＦ 一５ ５ 环氧树脂／ ＡＳ 一４ 碳纤维复合材料时仅为２ １ ｔ ； 我国战略导弹发射筒采用部分环氧树脂／ 碳纤维筒段， 比铝合金部件轻２ ８ ％， 俄罗斯白杨一Ｍ也使用复合材料结构。
（四）、 在战略导弹上的应用
美国早期的 “战斧”亚音速巡航导弹使用了较多的复合材料部件，如头锥、 天线罩、 尾翼、 进气道等， 但性能一般， 主要目的是降低成本。
其它战术导弹大多以金属材料为主。
这种状况从２ ０ 世纪８ ０ 年代开始有了较大改观， 首先是各种固体发动机壳体和部分弹体蒙皮开
始使用复合材料， 如美国波音公司开发的直径２ ０ ０ ｍｍ的两级式空射导弹壳体（Ｅ ＲＬ 一１ ９ ０ ８ 环氧树月旨／ Ｔ ４ ０ 碳纤维）、 直径１ ７ ０ ｒ ｌ ｌ ｌ ｎ 的ＶＴ 一１ 先进防空导弹壳体 （１ ９ ０ ８ 环氧树且旨／ Ｔ ４ ０ 碳纤维）、 直径１ ６ ５ ｍｉ ｌ ｌ 的小型超高速动能导弹ＣＫ—Ｅ Ｍ（酸酐固化环氧树月旨／ Ｔ １ ０ ０ ０ 碳纤维）、 各种类型的反导弹发动机壳体（Ｅ ＲＩ ＮＴ 、 Ｔ ＨＡＡＤ 、 Ｓ Ｍ一３ ）
等。
美国基地拦截弹Ｅ Ｒ Ｉ Ｓ 的杀伤飞行器采用碳纤维复合材料后质量减轻５ ２ ％， 我国也首次在海防导弹弹翼上成功使用了环氧树脂／ 碳纤维材料
复合材料是未来发展我国航空航天工程最有前途的材料, 在未来的研制中涡轮发动机材料必须在抗拉强度、 蠕变阻力、 低和高循环疲劳、 耐高温腐蚀和耐冲击损伤等方面满足要求。
提高复合材料高耐热性、 强度和韧性是发展复合材料的关键, 今后在耐高温材料上应重点研制结构陶瓷、 陶瓷复合材料, 和微叠层复合材料。
同时要在研究低成本复合材料的制造技术上加大力度。
参考文献 [1] 陈华辉， 邓海金、 李明， 等， 现代复合材料[M]， 中国物资出版社， 1997 [2] 周祖福， 复合材料学[M]， 武汉工业大学出版社， 1999 [3] 李成功， 傅恒杰， 于翘， 航空航天材料[M]， 国防工业出版社， 2002 [4] 刘雄亚， 晏石林， 复合材料制品设计与应用[M]， 化学工业出版社， 2003 [5] 车剑飞， 黄洁雯， 杨娟， 等， 复合材料及其工程应用[M]， 机械工业出版社，
2006
复合材料期末论文
姓名：
史宏硕 班级：
无机非 111 学号：
120114321020
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