1、航空航天先进复合材料现状2014-08-10 Lb23742摘 要:回顾了树脂基复合材料的发展史;综述了先进复合材料工业上通常使用环氧树脂的品种、性能和特性;复合材料使用的增强纤维;国防、军工及航空航天用树脂基复合材料;用于固体发动机壳体的树脂基体;用于固体发动机喷管的耐热树脂基体;火箭发动机壳体用韧性环氧树脂基体;树脂基结构复合材料;防弹结构复合材料;先进战斗机用复合材料;树脂基体;航天器用外热防护涂层材料;飞机结构受力构件用的高性能环氧树脂复合材料;碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天中的其它应用;民用大飞机复合材料;国产大飞机的软肋还是技术问题;复合材料之惑。关键词:树脂基体;复合材料;国
2、防;军工;航空航天;结构复合材料0 前言复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。今天，一个国家或地区的复合材料工业水平，已成为衡量其科技与经济实力的标志之一。先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争优势的源泉。到 2020 年，只有复合材料才有潜力获得 20-25%的性能提升。环氧树脂是优良的反应固化型性树脂。在纤维增强复合材料领域中，环氧树脂大显身手。它与高性能纤维:PAN 基碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维、S 或 E 玻璃纤维复合，便成为不可替代的重要的基体材料和结构材料，广泛运用在电子电力、航天航空、运动器材、建筑补强、压力管雄、化工防腐等六个领域。本文重点论述航空航天先进
3、树脂基体复合材料的国内外现状及中国的技术软肋问题1 树脂基复合材料的发展史树脂基复合材料(Resin Matrix Composite)也称纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastics)，是技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业，在我国不科学地俗称为玻璃钢。树脂基复合材料于 1932 年在美国出现，1940 年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的雷达罩，其后不久，美国莱特空军发展中心设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的
4、飞机，并于 1944 年 3 月在莱特-帕特空军基地试飞成功。1946 年纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。1949 年研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁，尺寸、形状准确的复合材料模压件。1950 年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升飞机的螺旋桨。60 年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间，玻璃纤维-聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。1961 年片状模塑料(Sheet Molding Compound, 简称SMC)在法国问世，利
5、用这种技术可制出大幅面表面光洁，尺寸、形状稳定的制品，如汽车、船的壳体以及卫生洁具等大型制件，从而更扩大了树脂基复合材料的应用领域。1963 年前后在美、法、日等国先后开发了高产量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产线，使复合材料制品形成了规模化生产。拉挤成型工艺的研究始于 50 年代，60 年代中期实现了连续化生产，在 70 年代拉挤技术又有了重大的突破。在 70 年代树脂反应注射成型(Reaction Injection Molding, 简称 RIM)和增强树脂反应注射成型(Reinforced Reaction Injection Molding, 简称 RRIM)两种技术研究
6、成功，现已大量用于卫生洁具和汽车的零件生产。1972 年美国 PPG 公司研究成功热塑性片状模型料成型技术，1975 年投入生产。80 年代又发展了离心浇铸成型法，英国曾使用这种工艺生产10m 长的复合材料电线杆、大口径受外压的管道等。从上述可知，新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展。进入 20 世纪 70 年代，对复合材料的研究发迹了仅仅采用玻璃纤维增强树脂的局面，人们一方面不断开辟玻纤-树脂复合材料的新用途，同时也开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料(Advance
7、d Composite Materials, 简称 ACM)。这种先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。自从先进复合材料投入应用以来，有三件值得一提的成果。第一件是美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机-里尔芳 2100 号，并试飞成功。第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长 18.2m、宽 4.6m 的主货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器。在这架代表近代最尖端技术成果的航天收音机上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材料。第三件是使用了先进复合材料作为主承力结构，制造
8、了这架可载 80 人的波音-767 大型客运飞机，不仅减轻了重量，还提高了飞机的各种飞行性能。复合材料在这几个飞行器上的成功应用，表明了复合材料的良好性能和技术的成熟，这对于复合材料在重要工程结构上的应用是一个极大的推动。2 先进复合材料工业上通常使用环氧树脂的品种、性能和特性复合材料工业上使用量最大的环氧树脂品种是缩水甘油醚类环氧树脂，而其中又以双酚 A 型环氧树脂为主，双酚 F 型环氧树脂(DGEBF)和双酚 S 型环氧树脂 。其次是缩水甘油胺类环氧树脂和缩水甘油酯类环氧树脂。其他还有酚醛环氧树脂;间苯二酚型环氧树脂、间苯二酚-甲醛型环氧树脂、四酚基乙烷型环氧树脂、三羟苯基甲烷型环氧树脂、
9、富有柔韧性脂肪族多元醇缩水甘油醚型环氧树脂、环氧丙烯酸树脂和耐候性的脂环族环氧树脂，其可单独 或者与通用 E 型树脂共混，供作高性能复合材料(ACM)。缩水甘油胺类环氧树脂的优点是多官能度、环氧当量高，交联密度大，耐热性显著提高。目前国内外已利用缩水甘油胺环氧树脂优越的粘接性和耐热性，来制造碳纤维增强的复合材料(CFRP)用于飞机二次结构材料。3 复合材料使用的增强纤维复合材料所用各种纤维材料性能比较见表 1。表 1 对一些材料的性能进行了比较。由表 1 可见，仅玻璃纤维就比金属材料的比强度、比模量分别提高了 540%、31%，碳纤维的提高则更为显著。据文献报道，由键能和键密度计算得出的单晶石
10、墨理论强度高达 150GPa1。因此碳纤维的进一步开发潜力是十分巨大的。日本东丽公司的近期目标是使碳纤维抗拉强度达到 8.5 GPa、模量 730 GPa。毋庸置言，碳纤维仍将是今后固体火箭发动机壳体和喷管的主要材料。开发碳纤维复合材料的其他应用大有作为，如飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发电机大型叶片、体育运动器材(如滑雪板、球拍、渔杆)等。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的逐步下降，在增强混凝土、新型取暖装置、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用也必将迅速扩大 24。我国为配合北京奥运会,拟大力开发新型 CFRP 建材及与环保，日用消费品相关的
11、高科技 CFRP 新市场 5。碳纤维是一种高强度、高模量材料，理论上大多数有机纤维都可被制成碳纤维，实际用作碳纤维原料的有机纤维主要有三种:粘胶纤维、沥青纤维、聚丙烯腈纤维。当前固体火箭发动机结构件用的碳纤维大多由聚丙烯腈纤维制成 6。表 1 各种纤维材料性能比较性 能 拉伸强度 拉伸模量 密度 比模量 比强度 产地/MPa /GPa /(g/cm3) 109/cm 107/cm30CrMnSi 1100 205 7.8 0.26 0.14 -D406A 1560 205 7.8 0.26 0.20 -S-玻璃纤维 3200 85 2.5 0.34 1.28 -F12 有机纤维4300 145
12、 1.44 1.00 2.99 俄罗斯IM6 碳纤维 5200 276 1.7 1.62 3.06IM7 碳纤维 5379 276 1.8 1.53 3.00IM8 碳纤维 5447 303 1.7 1.78 3.20IM9 碳纤维 6343 290 2.0 1.45 3.17美 国P30 碳纤维 4000 210 1.76 1.19 2.27T700 碳纤维4800 230 1.80 1.28 2.67T800 碳纤维5490 294 1.80 1.62 3.03T1000 碳纤维7060 294日 本碳纤维的开发始于二十世纪六十年代,起初用于耐烧蚀喉衬、扩张段材料，后来逐渐在其它结构件上应
13、用。自八十年代以来，碳纤维发展较大: 性能不断提高;七、八十年代主要以 3000MPa 的碳纤维为主。九十年代初普遍使用的IM7、IM8 纤维强度达到 5300MPa。九十年代末 T1000 纤维强度达到 7000MPa，并已开始工程应用。 品种不断增多。以日本东丽公司为例，1983 年生产的碳纤维品种只有 4 种，到 1995 年碳纤维品种达 21 种之多。不同种类、不同性能的碳纤维可满足不同需要，为碳纤维复合材料的广泛应用提供了坚实基础 5。page4 国防、军工及航空航天用树脂基复合材料据有关资料报导，航天飞行器的质量每减少 1 干克，就可使运载火箭减轻 500千克，而一次卫星发射费用达
14、几千万美元。高成本的因素，使得结构材料质轻，高性能显得尤为重要。利用纤维缠绕工艺制造的环氧基固体发动机罩耐腐蚀、耐高温、耐辐射，而且密度小、刚性好、强度高、尺寸稳定。再如导弹弹头和卫星整流罩、宇宙飞船的防热材料、太阳能电池阵基板都采用了环氧基及环氧酚醛基纤维增强材料来制造。处于航天航空飞行及其安全的考虑所需，作为结构材料应具有轻质高强、高可靠性和稳定性，环氧碳纤维复合材料成为不可缺少的材料。高性能环氧复合材料采用的增强材料主要是碳纤维(CF)以及 CF 和芳纶纤维(K-49)或高强玻璃纤维(S-GF)的混杂纤维。所用基体材料环氧树脂约占高性能复合材料树脂用量的 90%左右。高性能复合材料成型工
15、艺多采用单向预浸料干法铺层，热压罐固化成型。高性能环氧复合材料已广泛应用在各种飞机上。以美国为例，20 世纪 60 年代就开始应用硼/环氧复合材料作飞机蒙皮、操作面等。由于硼纤维造价太贵，70 年代转向碳/环氧复合材料，并得到快速发展。大致可分为三个阶段。第一阶段应用于受力不大的构件，如各类操纵面、舵面、扰流片、副翼、口盖、阻力板、起落架舱门、发动机罩等次结构上。第二阶段应用于承力大的结构件上，如安定面、全动平尾和主受力结构机翼等。第三阶段应用于复杂受力结构，如机身、中央翼盒等。一般可减重 20%30%。目前军机上复合材料用量已达结构重量的 25%左右，占到机体表面积的 80%。高性能环氧复合
16、材料在国外军机和民机上的应用实例较多。我国于 1978 年首次将碳-玻/环氧复合材料用于强-5 型飞机的进气道侧壁。据有关会专家介绍，20 世纪 80 年代在多种军机上成功地将 C/EP 用作垂直安定面、舵面、全动平尾和机翼受力盒段壁板等主结构件。宇航工业中除烧蚀复合材料外，高性能复合材料应用也很广泛。如三叉戟导弹仪器舱锥体采用 C/EP 后减重 25%30%，省工 50%左右。还用作仪器支架及三叉戟导弹上的陀螺支架、弹射筒支承环，弹射滚柱支架、惯性装置内支架和电池支架等 55 个辅助结构件。由于减重，使射程增加 342km。德尔塔火箭的保护罩和级间段亦由 C/EP 制造。美国卫星和飞行器上的
17、天线、天线支架、太阳能电池框架和微波滤波器等均采用 C/EP 定型生产。国际通讯卫星 V 上采用 C/EP制作天线支撑结构和大型空间结构。宇航器“空中旅行者”的高增益天线次反射器和蜂窝夹层结构的内外蒙皮采用了 K-49/EP。航天飞机用 Nomex 蜂窝 C/EP复合材料制成大舱门，C/EP 尾舱结构壁板等。4.1 国内外发展现状及趋势航天高新技术对航天先进复合材料的要求越来越高，促使先进复合材料向几个方向发展: 高性能化，包括原材料高性能化和制品高性能化。如用于航空航天产品的碳纤维由前几年普遍使用的 T300 已发展到 T700、T800 甚至 T1000。而一般环氧树脂也逐步被韧性更好的、
18、耐温更高的增韧环氧树脂、双马树脂和聚酰亚胺树脂等取代;对复合材料制品也提出了轻质、耐磨损、耐腐蚀、耐低温、耐高温、抗氧化等要求。 低成本化，低成本生产技术包括原材料、复合工艺和质量控制等各个方面。 多功能化，航天先进复合材料正由单纯结构型逐步实现结构与功能一体化，即向多功能化的方向发展。碳纤维增强复合材料(CFRP)是目前最先进的复合材料之一。它以其轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点，广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。4.2 用于固体发动机壳体的树脂基体环氧树脂由于力学、热学性能优异，电气性能优良，耐化学介质性、耐候性好及工艺性优良等优点，数十
19、年来一直是固体火箭发动机复合材料树脂基体的主体，预计今后相当长时间内仍将如此。环氧树脂的缺点是耐冲击损伤能力差，耐热性较低(300 MPa 的树脂基体。b. 具有高透波率的树脂基体，其 tan以此树脂为基体制得的玻璃纤维布预浸料具有良好的储存稳定性;复合材料具有优异的力学性能、耐热性、耐湿热性能和介电性能，可广泛地应用于高性能结构材料领域。BMI/DDM/EP/2MZ 体系可使固化反应的温度降低，成型工艺性好，固化产物增韧效果明显，以其为基体制作的玻璃纤维复合材料具有优良的力学性能，在 150的高温强度保留率达 80%以上。表 4 复合材料性能性能 处理条件 典型值该复合材料是一种性能较好成本
20、较低的耐高温复合材料可广泛用于国民经济各领域 46，47 。针对环氧树脂(EP)耐湿热性差和韧性不足的缺点，用双马来酰亚胺(BMI)对常用的芳香族二元胺(DA)固化剂进行扩链改性，研究了改性4,4-二氨基二苯砜(DDS)固化剂，对 7 种环氧树脂固化物的力学性能、热性能和工艺性能的影响，优化出一种 BMI 改性环氧树脂基体，改性树脂浇铸体韧性好，耐热性高:断裂韧性 GIC 195J/m2;断裂延伸率3.37%;Tg218;135弯曲强度保持率 72.2%;沸水饱和吸湿率 3.3%;其碳纤维复合材料综合性能良好，断裂韧性高，耐湿热性好，横向拉伸强度75.5MPa，层间断裂韧性 GIC267J/m
21、2;135湿态弯曲强度保持率 70.5%;132湿态层间剪切强度保持率 49.5%48。4.5.3 用于基体树脂基复合材料的耐热增韧改性剂 - 烯丙基苯基化合物二烯丙基双酚 A (DABPA) 是烯丙基苯基化合物的一种，其最主要的用途是作环氧树脂等反应固化性树脂的耐热增韧改性剂。其结构如右式:自从 1984 年美国 Ciba-Geigy 公司推出其优秀品牌 Xu292 ( Matrimid5292 )49以来，因其性能和工艺颇佳引起国内外高度重视，成为耐热高韧性基体树脂研究热点。这个树脂体系的主要料就是 DABPA 通过与双马来酞亚胺(BMI)共聚，使质脆的 BMI 树脂的断裂韧性显著提高，使
22、 BMI 型树脂基复合材料很快实现了实用化，其构件已在 F-22 等先进战斗机的主承力部位得到应用。我国的这类BMI 型基体及其复合材料的研究，已达到较高水平并开始了实用化，为 BMI 和环氧等基体树脂的研制和生产提供优质的国产配套材料。4.6 巡航导弹、超声速巡航导弹、高超声速巡航导弹树脂基结构复合材料 50从 2007 年开始，树脂基结构复合材料在国内巡航导弹领域迎来了重大的发展契弯曲强度/MPa A 575拉伸强度/MPa A 468冲击强度/(kJ/m2)A 169击穿强度/(kV/mm)D-48/50+D-0.5/2040介电常数 C-96/40/93 4.17介质损耗因数 C-96
23、/40/93 0.0077吸水性/mg E-24/50+D-24/23 13.6密 度/(g/cm3) A 1.98Tg/(DSC) A 257机，以下一代巡航导弹、超声速巡航导弹、高超声速巡航导弹为先锋的新型导弹武器研究工作全面启动，在耐高温、大射程、轻质化、低成本的发展需求推动下，树脂基结构复合材料在巡航导弹结构件上的发展突飞猛进，越来越多的结构部件复合材料化，复合材料应用比例的高低已成为衡量新一代巡航导弹先进水平的一个重要标尺。树脂基复合材料在航天结构件上的应用主要有两大阵地:战略导弹和巡航导弹。一直以来，对战略导弹及运载火箭领域的树脂基复合材料开展的研究较多，但对以巡航导弹为代表的战术
24、导弹却少有涉及。然而，巡航导弹却是未来航天领域树脂基复合材料大范围应用的最广阔舞台之一。新一代巡航导弹发展的趋势是:射程远、速度快、命中精度高、突防能力强等。这就要求导弹轻质化、高精度、高可靠、低目标特征、低成本等。这些需求带动了低成本结构复合材料、耐高温结构复合材料、结构/功能一体化复合材料的迅速发展。在树脂基复合材料中，环氧树脂(EP)是巡航导弹弹体结构所用复合材料中最主要的基体材料，在所有树脂基复合材料结构中所占的比例高达 90%。但随着飞行速度的提高，超声速巡航导弹研究的日益深入，目前树脂基复合材料的研究重点已由环氧树脂向双马来酰胺(BMI)、聚酰亚胺(PI)树脂、氰酸酯树脂转移。Br
25、yte 公司最近开发了一系列氰酸酯树脂基体，玻璃化转变温度达 335，短时工作温度达 300，可以代替 BMI 和聚酰亚胺，氰酸酯树脂已成为未来结构/功能一体化的有力候选材料，可以作为超声速巡航导弹复合材料舵面和弹体通常选用的树脂。雷锡恩导弹系统公司试图在超声速巡航导弹研制中确定 BMI 作为选用的树脂。PMR 型聚酰亚胺复合材料在国外的超声速巡航导弹的弹体结构上已经得到广泛应用，利用 PI 在 400下良好的承载/透波能力，超声速巡航导弹的耐高温天线罩主要采用了 PI 作为基体材料，而在美国的“X-43 高超声速飞行器”研究过程中，PI 复合材料以优异的综合性能成为弹体主承力结构最有力的竞争
26、者。而在树脂基结构复合材料的成型技术方面，国外的巡航导弹已普遍采用了先进的低成本制造技术，如树脂转移成型(RTM)、真空辅助树脂转移成形(VARTM)、树脂膜熔渍工艺(RFI)、纤维铺放技术和热固化工艺、共注射树脂转移(CIRTM)等技术。page4.7 防弹结构复合材料 51,52由于东欧政治和经济的变革，以及越来越频繁的过境暴力犯罪，使得子弹和碎片防护结构的需求急剧上升。军事用途防御设备的开发，不能仅仅是部分应用于民用领域。树脂基复合材料在高性能设备方面具有越来越多的用途 82,83。其中一个最重要的应用是，它们可为弹道冲击提供有效的保护。这种材料可以显著吸收子弹头的动能，且还具有高的比强
27、度和比刚度。我们的研究目标是开发出能够吸收高冲击能，可用于防弹门和结构生产，或能加强在建及已使用结构的刚性复合材料板材。Bay Zoltan 科学技术研究院的 Gabriella Faur-Csukat 研究了碳纤维、玻璃纤维(E-和 S-型)、芳纶纤维、聚乙烯纤维织物增强不同环氧树脂复合材料的力学性能和弹道性能。用低速(却贝和落锤试验)和高速(两个不同口径弹道)冲击试验检验了手糊样品的性能。研究发现，复合材料的能力吸收容量受增强纤维性能、织物结构和树脂弹性的显著影响4.8 先进战斗机用复合材料树脂基体 53 在 Narmco 公司研制的双马来酰亚胺树脂系列中，以 5250 颇受重视。Rigi
28、dite 5250-2 被美国 YF-22 战斗机(即 F22 原型机)所选用。525Q-4 正式被F-22 战斗机型号接纳。占 F-22 飞机结构 23.5%的先进复合材料结构，包括几乎所有的外部蒙皮和某些框、梁和骨架，其基体材料是 5250-4 双马来酞亚胺树脂，并以 5050-4/A S-4 体系为主，对要求高抗损伤的少数部位则采用 5250-4/IM-7体系。Rigidite 5250-4 是一种耐湿、抗冲击、耐高温的一种优质基体树脂，其刚性和湿热性能均优于 5245C。与其他树脂体系一样，许多复合材料的力学性能、冲击韧性与成型固化条件有关。按 F-22 飞机结构复合材料件实际成型所采
29、用的规范所测数据均为吸湿后状态，吸湿条件是在 71水中浸泡 2 周，并于 82下测定。碳纤维复合材料系 5250-4/IM-7 层压板为由 24 层准备向同性取向铺迭而成，采用 6.7kJ/m 能量落锤冲击，随后压缩直至破坏，试样与试验按波音标准(BMS-276C)进行,固化条件为 F-22 复合材料结构件实际采用的固化规范，相对应的冲击压缩强度(CAl)值为 165MPa。5250-4 纯树脂性能见表 5。表 5 中树脂的固化条件是 177/6 h 和随后的 227/12 h 的后固化，从表中可见经上述规范处理的树脂其弹性模量高，刚性较好，热变型温度高、耐温性好。5250-4 复合材料的高温
30、性能非常突出。5250-2 碳纤维复合材料在湿态环境下仍有高的压缩强度，以相同纤维层数(24层)，相同纤维取向(准各向同性)，相近纤维体积分数(60%62%)与 5245C 和5208(四官能团环氧)相比较，见图 1。图 1 5250-2 和 5208 树脂湿态压缩性能比较表 5 5250-4 纯树脂性能拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa断裂应变/%弯曲强度/MPa弯曲应变/%热变形温度/玻璃化转变温度/GIc/(J/m2)68.9 3.93 1.7 152 3.85 260 321 96.34.9 航天器用外热防护涂层材料固体火箭发动机的外防护主要包括气动热蚀防护和发动机燃气防护两部分。气动热
31、蚀防护主要以树脂基复合材料为主,如法国宇航公司为战略导弹研制的防热涂料,主要成分为硅树脂和中空二氧化硅颗粒,是一种导热系数 0.10.15w/(m k),密度 0.6g/m3 的可喷涂涂层 54;俄罗斯研制的 C-300 导弹使用了牌号为 027 的防热涂层材料,大型“质子号”运载火箭使用了以氯磺化聚乙烯弹性体为基体,加入不同填料及轻质中空微球 55,56的外热防护材料;美国的气动热蚀防护材料品种较多,广泛应用于航天飞机和导弹等航天产品,其基体材料主要为环氧树脂、氯磺化聚乙烯、酚醛、环氧-聚氨酯、聚硫-环氧和硅橡胶等,美国公司生产的供宇宙飞船及重返大气设备表面用耐烧蚀防热涂层,使用的基体是双组
32、分室温硫化硅橡胶 57。4.10 飞机结构受力构件用的高性能环氧树脂复合材料4.10.1 T-300/4211 体系它是北京航空材料研究所和北京航空工艺研究所 1984 年研制成功的。4211 环氧基体由 648 酚醛环氧树脂和 BF3MEA 组成。交联密度大，弹性模量较高，耐热性好，其突出优点是有良好的工艺性，预浸料可在室温下存放。缺点是脆性大，对湿热敏感。T-300/4211 复合材料可在 120以下使用。已用于几种型号飞机的垂直安定面，飞机进气道外侧壁板等。4.10.2 T-300/5208 体系它是美国 Narmco 公司 1972 年研制成功的。5208 基体由 4，4-二氨基二苯甲
33、烷四缩水甘油胺环氧树脂(TGDDM)和 4，4-二氨基二苯砜(DDS)组成。该体系的性能好，能在 177(下使用，因而美国绝大多数飞机复合材料结构件都采用碳纤维和 5208 或 5208 同系树脂体系制成。5208 被称为第一代树脂基体。类似的体系还有美国 Fiberite 公司的 934，美国 Hercules 公司的 3501，(此二体系中加有 BF3MEA)，我国北京航空材料研究所的 5222，Hexcel 公司的 F263，日本东丽公司的 3601，三菱公司的 A401，东邦公司的 1101 等。所用的 TGDDM树脂有:Ciba 公司的 MY-720，Reichhold 公司的 37
34、-106，日本的 Epiclon 430，Glyamine 120，YH-343，ELM-434 及我国上海合成树脂研究所的 AG-80 等。这些牌号的 TGDDM 树脂的平均相对分子质量和极性不完全相同，因此在性能上也有些差异。T300/5208 复合材料耐热性及力学性能好，尤其是层剪性能优异。可在-55177使用。预浸料的铺覆性好，使用期长。其缺点是吸水性大，在湿热条件下 Tg、模量及压缩强度下降严重;韧性差，复合材料 90。方向的延伸率小，层间剥离强度低，耐冲击性能差，尤其是冲击后压缩强度CAI(Compression after impact)低，对缺口敏感性大，不能满足飞机主受力结构
35、件的要求。T-300/934 复合材料是波音公司广泛用于民机上的环氧结构复合材料。为了提高基体的韧性达到主受力结构复合材料的要求，主要从以下几方面进行改进。通过增加交联点间的距离来增加固化物的延伸性，开发出了一些新型高韧性环氧树脂和固化剂。但韧性的增加往往伴随着耐热性的降低。另一种方法是用橡胶增韧环氧树脂。能显著提高基体的韧性和 CAI。但其耐热性、耐湿热性往往会下降。第三种方法是用热塑性耐热树脂来增韧环氧树脂。不仅能提高基体的韧性、复合材料层间性能和 CAI，同时其耐热性不降低，甚至还有所增加。为了提高环氧树脂与热塑性树脂的界面性能，可选用末端为氨基的聚醚砜和聚醚酮以及末端为环氧基的聚醚砜等
36、。被称为第二代树脂体系。如BASF/Narmco 公司的 Rigidite X5255-3 的 CAI 高达 345MPa;Toray-Hexcel 公司的 3900-2/T800H 的 CAI 为 368MPa;ICI-Fiberite 公司的 977-1/IMT 的 CAI 为348MPa;我国北京航空材料研究院研制的热塑性树脂增韧环氧树脂复合材料 T-300/5228 和 T800/5228 的 CAl 分别为 190MPa 和 250MPa，在湿热条件下的使用温度为 130。改进基体耐湿热性的途径是尽量减少基体中的极性基团(如羟基等)以及引入脂环和杂环结构。4.10.3 T-300/L
37、WR-1 体系它是北京航空工艺研究所和黑龙江石化所 1989 年研制成功的。LWR-1 基体由 E-54，DDS 及促进剂组成，它可中温(120130)固化。具有良好的耐湿热性能。可在 80C 以下使用。已用于前机身。4.10.4 T-300/914C 体系它是目前欧洲空中客车飞机和海豚直升机等广泛使用的高性能环氧复合材料。914C 是一种改性环氧树脂。T-300/914C 预浸料由 Ciba 公司生产。T-300/914C 复合材料的性能与 T-300/5208 复合材料相当。可在-50180使用。目前我国环氧树脂在微胶囊技术，带压粘接堵漏技术和单组分包装技术上已得到广泛的应用。一种钛材经磷
38、酸盐氟化物处理后，涂布底胶待部分固化后，用FM 一 73(改性环氧胶)粘接，其剪切强度(-40)也可达到 35.8MPa。这种环氧胶目前国外已广泛用于飞机、宇航飞船机体及表皮。美国第四代战斗机主体材料就是采用二氨基二苯砜(DDS)固化的二胺基二苯甲烷四官能环氧树脂(TGDDN)复合材料。另外，二异丙四缩水甘油胺环氧树脂(HPTl071)与芴型二缩水甘油醚环氧树脂也因具有较高热性能，而被视为 21 世纪飞机结构材料之一。美国 F/A-14型战斗机的主体机翼结构系采用碳纤维-环氧树脂复合材料。我国上海 MD-90 双喷气客机推力装置短舱壁板等部件也是采用英国 Westlant Gvond 公司生产
39、的碳纤维-环氧树脂复合材料。实践证明，采用热塑性树脂来改性环氧树脂可改进其韧性，提高复合材料的综合性能。一种采用纳米蒙脱土作为填料，通过插层复合的方法可制备出一种纳米蒙脱土/环氧树脂胶粘剂，其涂层综合性能要比纯环氧树脂胶粘剂性能好的多。这些领域已得到国内高度重视，并进入了开发或应用阶段。4.11 碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天中的其它应用复合材料正在迅速发展成为航天航空工业的基本结构材料。高性能聚合物基复合材料在航空航天工业的用量占其全部用量的 80%。由于碳纤维具有高比强度、比模量、低热膨胀系数和高导热性等独特性能，因而由其增强的复合材料用作航空航天结构材料，减重效果十分显著，显示出无可
40、比拟的巨大应用潜力。4.11.1 在航天飞机上的应用碳纤维增强树脂基复合材料用做航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。4.11.2 在火箭与导弹上的应用在火箭和导弹上使用碳复合材料减重效果十分显著。因此,采用碳纤维复合材料将大大减轻火箭和导弹的惰性重量，既减轻发射重量又可节省发射费用或携带更重的弹头或增加有效射程和落点精度。4.11.3 在人造卫星上的应用人造卫星展开式太阳能电池板多采用碳复合材料制作。4.11.4 在航空工业上的应用随着碳纤维和基体树脂性能的不断提高,碳纤维增强树脂基复合材料的耐湿热性和断裂延伸率得到显著改善和提高。在飞机上的应用已由次承力结构材料发展到主承力结构材料,拓宽了在飞
41、机工业中的应用。4.11.5 隐身材料新型隐身材料对于飞机和导弹屏蔽或衰减雷达波或红外特征，提高自身生存和突防能力，具有至关重要的作用。在雷达波隐身材料方面，除涂层外，复合材料作为结构隐身材料正日益引起人们的关注，主要为碳纤维增强热固性树脂基复合材料(如 C/EP、C/PI 或 C/BMI)和热塑性树脂基复合材料(如C/PEEK，C/PPS)，目前已经得到了某些应用。5 民用大飞机复合材料复合材料在航空制造业的应用趋于广泛,世界上大型飞机如波音 787,空客 380 等机型的结构件复合材料的用量占到了 40-50%,先进直升机结构件复合材料用量甚至占到了 80%以上，可以说复合材料就是构成空中
42、飞行器的“血肉”。日本 Yokohama 橡胶公司 58开发了一种用于空中客车 A380 的复合材料部件的环境友好的无粘接剂预浸料。该预浸料用于飞机机翼整流罩,由碳纤维增韧环氧树脂制成。A380 的机翼构造为蜂窝状内层夹在纤维增韧塑料板材中间。该预浸料省去了需要使用环境友好,无味的溶剂融解预渍料以便模塑的工艺,应用时只须加热即可融解模塑,同样,只须加热即可固定蜂窝内层,无需粘接剂,这减少了整流罩安装的一个步骤,提高了生产效率。该公司也成为首家获得为空中客车供应这类材料许可的日本公司。Nordam Group Inc59获得了波音公司的许可,为其供应 787 大型客机复合材料窗框。该窗框将采用
43、HexcelCorp 的 HexMC-一种专门设计用于压缩模塑的高填充环氧片状模塑料,该材料具有高强度,低密度,结实,富于刚性的特点。该窗框与原先的铝质窗框相比,重量减轻了 50%,具有高耐破坏性,这是首次将复合材料窗框用于商业大型客机,也是飞机机身构造的一次创新。首批产品巳交付波音公司机身合作制造商。LH-10 Ellipse60是一种纵排双座运动型飞机，该飞机全部采用碳纤维/环氧树脂复合材料制成，目前已成套出售。其飞行速度可达到 370km/h, 比其他同类飞机快 100-150 km/h。其特色为在飞机后部装有带螺旋桨推进器的中型发动机和碳纤维主轴。5.1 国内大飞机复合材料现状当然与军
44、机相比，民机还可以采用国际采购的方式来弥补技术上的差距，如飞机发动机、部分机载设备、零部件和材料都可以采用这种方式。但是民机制造中仍有许多东西是用钱买不来的，如飞机的总体设计能力，尤其是集成能力得靠经验上的累积。又如电传操作，这是核心技术，空客在这个方面已比较成熟，波音 777 也采用了电传操作技术，其中有些还是光传技术，这种技术人家是不会卖给我们的，只有靠自己研发。据了解，现在国产化的 T300 飞机复合材料正在研制之中，可望不久能投入批量生产，以替代目前进口的 T300。在复合材料的制造工艺上，国内的一些主要飞机厂也正在加快更新设备。如西飞，其应用飞机复合材料的主要设备热压罐原来的最大直径
45、为 3.5 米，现在准备上直径六米的热压罐。国内航空产品制造业中少数能够依托自主研发, 引进、消化国际先进技术,实现产品国际取证和销售的生产企业。哈飞股份与空中客车公司共同在组建合资制造中心, 生产 A350XWB 宽体飞机项目的复合材料零部件, 正式切入全球飞机制造产业链中.并向空中客车公司成功交付第一架份复合材料机体结构件, 此举不但标志着哈飞股份已成为空中客车公司合格供应商之一，重要的是，在中国自主研发制造的大飞机中，哈飞股份的复合材料必将得到更大规模的运用，公司的复合材料制造面临飞跃，从而使公司的发展空间更加广阔。page航空制造业战略机遇空前。飞机制造业是巨大的系统工程，是基础科学和
46、制造业企业通力合作的结果，哈飞股份拥有除军机的军械加装和试飞以外的较完整的业务链.几十年生产军、民用直升机，轻型及支线固定翼飞机研制,参与国际航空的转包产品生产都为公司参与到大飞机项目中做好了一定的技术储备。除生产和销售直 9 系列, HC120,EC120 机身,运 12 等产品外,另外 3 个长期投资单位涉及的方向则是民用支线飞机以及中型民航客机的研制生产, 其中安博威公司主要生产销售 50 座级涡扇 ERJ145 支线飞机, 该机型采用当代先进的涡轮风扇发动机和集成化航空电子设备, 其安全性,舒适性和各项性能指标不亚于大型干线飞机,目前该系列飞机全球销售量已超过 700 架, 2006
47、年所签大单生产任务排到 2010 年。公司在原有的制造直升机和中型飞机(ERJ145 支线飞机)所取得的技术储备和经验是使公司在参与到大飞机项目时更具优势。5.2 国产大飞机的软肋还是技术问题技术问题一直是我国发展大型客机的最基本问题。近年来虽然有些关键技术获得了突破，但是大型客机的整机研制能力与世界先进水平相比仍是全方位的差距，尤其是波音、空客新的机型大规模采用复合材料后，大型客机的研制能力又一次与世界先进水平拉开了距离。民机技术储备极少由于历史的原因，我国民机在技术上投入非常少，民机的技术储备更少。原上航集团党委书记潘继武说，尤其是我国的民机在实践上停滞了很多年后，飞机设计的参数、定值积累
48、极少，民机设计能力相对较弱，在技术上突破需要花费很多力量。西安飞机工业(集团)有限责任公司(简称西飞)、第一飞机设计研究院、中国飞行试验设计研究院三家曾共同完成了一份资料，对本世纪初我国飞机的研制能力做出了一个详细的评估。这份资料称，我国飞机设计水平与国际水平相比差距约 20 年。在超音速巡航技术、喷管矢量技术、高推重比技术及无人驾驶控制技术等方面都有一定差距，综合设计能力也低，设计实践经验欠缺，设计规范落后。在飞机制造技术方面，与世界飞机制造加工基地相差 10 至 20 年，如数控效率只有波音的 1/8。5.3 复合材料之惑更让人焦虑的是，随着近年来复合材料在飞机上的大量应用，我国民机研制的
49、能力有进一步与世界先进水平拉开的危险。飞机上的复合材料主要是指碳纤维的复合材料。以前国际上的大型客机采用的材料都是以先进铝合金为主，飞机的设计、制造都建立在这种材料基础上。以波音 777 为例，其机体结构中，铝合金占到 70%、钢 11%、钛 7%，复合材料仅占到 11%，而且复合材料主要用于飞机辅件。但到波音 787 时，复合材料的使用出现了质的飞跃，不仅数量激增，而且开始用于飞机的主要受力件，现在波音 787的复合材料用量已占到结构重量的 50%。飞机结构件大规模使用复合材料，是现代飞机制造史上的一次革命性变化。它使飞机重量更轻、强度更高、耐疲劳耐腐蚀性更好，而且复合材料中的高强度碳纤维进行大规模工业化生产后，可以使飞机的制造成本更低。同时在计算机技术、激光、C 扫描等先进科技的支持下，复合材料制造飞机结构件的质量能够更加可靠地保证飞机的安全性。根据波音和空客公开的研究资料表明，到 2020年它们的飞机将全部采用复合材料。而我国目前仅掌握金属飞机的研制能力，复合材料只能少量地用在飞机辅件上，在主结构上的应用还需要进一步预研。这就好比是空客、波音已经能用钢筋水泥造房子，而我国仅掌握全套的用“秦砖汉
