1、先进材料与技术课程论文论文题目： 航空航天复合材料的应用 所属方向： 航空航天复合材料的发展历程和现状 学生姓名： 学 号： 班 级： 摘要：本文主要对航空发展中的热固性材料，热塑性材料，碳纤维材料的发展和在航空航天中的应用作简单的探讨，最后对未来的材料做简单展望。关键词： 复合材料 热塑性 树脂基复合材料 前言：复合材料已与金属材料，高聚材料，陶瓷并称四大材料，今天，一个国家的复合材料工业发展水平已成为衡量其科技和经济市里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。一复合材料介绍1.定义：由异质、异性、异形的有机聚合物、无机非金属、金属等材料作为基体或增强体，通过复合工艺组
2、合而成的材料。除具备原材料的性能外，同时能产生新的性能。2.热固性材料：指在一定条件下（如加热、加压）下能通过化学反应固化成不熔不塑料。常用的热固性塑料有酚醛塑料、聚氨酯塑料、环氧塑料、不饱聚酯塑料、呋喃塑料、有机硅树脂、丙烯基树脂等及其改性树脂为机体制成的塑料。3.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
3、称为玻璃钢。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 几 千 万 美 元 。 高 成 本 的 因素 ， 使 得 结 构 材 料 质 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
4、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。3.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CEP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120 中国环氧树脂应用技术学会“第十三次全国环氧树脂应用技术学术交流会”论文集CEP后减重2530，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
5、程增加342km。德尔塔火箭的保护罩和级间段亦由CEP制造。美国卫星和飞行器上的天线、天线支架、太阳能电池框架和微波滤波器等均采用CEP定型生产。国际通讯卫星V上采用CEP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-49EP。航天飞机用Nomex蜂窝CEP复合材料制成大舱门，CEP尾舱结构壁板等。二，复合材料在航天航天器件中的应用1.火 箭 发 动 机 壳 体 用 韧 性 环 氧 树 脂 基 体为了适应航空航天领域日益苛刻的要求，通用环氧树脂已不能满足要求，界各国都在致力于开发各种高性能环氧树脂，以便于开发同高性能增强材料（如芳 纶
6、 、 碳 纤 维 等 ） 相 匹 配 的 树 脂 体 系 。 但 总 结 起来 ， 大 都 是 在 保 证 环 氧 树 脂 优 异的工艺性的前提下，实现环氧树脂的多官能化，以改善其固化物的耐热性和粘接性。环氧树脂由于性能优异,数十年来一直是火箭发动机壳体用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 .这些年来曾经历过刚性环氧-柔性 环 氧 -刚性环氧的再认识过程,但居主导地位的一直是刚性双酚 A 二缩水甘油醚的环氧混合 物 。 环 氧 树 脂 的 固 有 缺 点 是 耐 冲 击 损 伤 能 差 ,耐 热 性 能 也 较 低 (小 于 170) ,火 箭 发 动
7、 机 在 高 速 下 飞 行 ,外表面必须良好绝热,以防御气动加热影响,这 样 则 加 大 了 发 动机 的 惰 性 质 量 。 多 年 来 各 国 都 在 努 力 改 进 环 氧 树 能 ,例 如提 高 韧 性 或耐热性，以不断提高发动机的性能。许多研究工作表明环氧树脂改进仍有很大潜力。2.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的可喷涂涂层俄罗斯
8、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,使用的基体是双组分室温硫化硅橡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 分 室温 硫 化 硅 橡 胶。我国现在开始抓飞机复合材料的预研，当然利于缩小与世界先进水平的差距。但是从长远来看，要
9、从根本上解决我国民机技术上的差距，还得从解决我国即要加大民机研制的频度、成立专门的民机研究所、建立科技转化生产力体制机制的航空工业最佳模式。 高性能树脂基体及其改性是我门树脂行业的责任和义务。努力做好这方面的研发和产业化才能使我们从一个生产消费大国变成真正的生产消费强国。3.用于固体发动机喷管的耐热树脂基体 耐高温结构复合材料用的新型热固性树脂一般指芳杂环高聚物,如聚酰亚5 胺、聚苯砜等，它们的耐热性比改性环氧和多官能团环氧更高，其中聚酰亚胺是目前耐热性最好、已实现工业化生产的重要品种。聚酰亚胺中的双马来酰亚胺(BMI)既具有聚酰亚胺耐高温、耐湿热、耐辐射的特点，又有类似于环氧树脂较易加工的优
10、点。但缺点是熔点高、溶解性差、脆性大，如 HexcelF650是成熟的第二代BMI 树脂。在非常潮湿的情况下，最高连续使用温度为204.4，采用 HexcelF650基复合材料的导弹经喷气式战斗机超声速冲刺后，能承受比预料更严酷的热环境。如能应用于固体发动机壳体，对其综合性能的提高十分有利。目前的主要问题是 BMI 的固化温度（约300)和固化压强(约1.5MPa)均比较高，使缠绕型组合芯模和壳体内绝热层难以承受 。国内外喷管用树脂基防热材料的发展经历大致相同，从玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛到碳/酚醛、碳/聚芳基乙炔，从单功能到多功能、低性能到高性能，树脂体系经历了从酚醛树脂、改性酚醛树脂到高性能
11、树脂。目前对聚苯并咪唑、聚喹口恶啉、聚苯并唑、聚苯并噻唑、聚芳基乙炔等高性能树脂的应用研究已成为热点,是树脂基防热材料发展的方向。由于碳/酚醛复合材料具有生产周期短、制造成本低、性能适中等特点，是目前固体发动机喷管烧蚀防热材料中广泛使用的材料之一，主要用在如喷管扩张段一类受热流强度较低的部件上；又因其价格低廉，甚至在美国航天飞机助推器的喷管喉衬上也使用碳/酚醛材料。国外典型的碳酚醛材料有 FM5055、MX4957A 等牌号，所用酚醛树脂多以 Ba(OH)2、NH4OH 等为催化剂合成。酚醛树酯虽耐烧蚀性优良，但重现性不好，烧蚀可预示性差.由于碳纤维的密度、耐热性、刚性等方面的优势，增强纤维以
12、碳纤维为主。碳纤维复合材料在空间技术上的应用，国内也有成功范例，如我国的第一颗实用通信卫星应用了碳纤维/氧复合材料抛物面天线系统；第一颗太阳同步轨道“风云一号”气象卫星采用了多折迭式碳纤维复合材料刚性太阳电池阵结构等。三国防、军工及航空航天用树脂基复合材料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、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
13、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)是目前最先迸的复合材料之一。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。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
14、氧树脂的缺点是耐冲击损伤能力差，耐热性较低(170“0)，在湿热境下力学性能下降明显。这些年来环氧树脂的发展经历了刚性环氧一柔性环氧一刚性环氧的过程。但居主导地位的一直是刚性双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂。如美国“三叉戟-1” 、 “三叉戟-2”导弹以及“飞马座”火箭采用的HBRF-55A配方就以E-PON826为主。多年来各国都在通过加入柔性单元改进环氧树脂的韧性，通过加入新型刚性链单元结构或使用芴型芳香胺固化剂来提高耐热性，并分别取得了预期的效果。3.用于固体发动机喷管的耐热树脂基体耐高温结构复合材料用的新型热固性树脂一般指芳杂环高聚物，如聚酰亚胺、聚苯砜等，它们的耐热性比改性环氧和多官能团
15、环氧更高，其中聚酰亚胺是目前耐热性最好、已实现工业化生产的重要品种。聚酰亚胺中的双马来酰亚胺(BMI)既具有聚酰亚胺耐高温、耐湿热、辐射的特点，又有类似于环氧树脂较易加工的优点。但缺点是熔点高、溶解性差、脆性大，如HexcelF650是成熟的第二代BM1树脂。在非常潮湿的情况下，最高连续使用温度为2044“O，采用HexceF650基复合材料的导弹经喷气式战斗机超声速冲刺后，能承受比预料更严酷的热环境。如能应用于固体发动机壳体，对其综合性能的提高十分有利。目前的主要问题是BMI的固化温度(约300)和固化压强(约15MPa)均比较高，使缠绕型组合芯模和壳体内绝热层难以承受。氰酸酯树脂(CE)是
16、二十世纪八十年代开发的一类新型树脂。主要用途有：高性能印刷电路板、高性能透波结构材料(如雷达罩)、航空航天用高韧性结构复合材料。最早应用于宇航领域的商品化氰酸酯基复合材料为美国Narmco公司的R-5254C，它是碳纤维增强的CE与其它树脂的混合物。随后。一些供应CE基复合材料预浸料的公司，在CE中加入玻璃化温度高于仃O的非晶态热塑性树脂如聚碳酸酯(PC)、聚砜(PS)、聚醚砜(PES)等，使CE保持优良耐湿热性能和介电性能的同时，冲击后压缩强度(CAI)值达到240-320MPa，其使用温度与改性后的PI、BMI相当如Ciba-geigy生产的ArocyL-10和RTX366的熔融物粘度极小
17、，只有O1 Pas，特别适用于纤维速浸法制预浸料，在SRM研制中有着广阔的应用前景。 “YLA公司”使用XU7178707试制成碳纤维增强预浸料，经质量评估认为可制作卫星天线。4我们的现状我国进行大型客机的研制，面临的技术困难是巨大的。在日趋激烈的航空市场上，没有技术领先、具有竞争力的飞机，即使生产出来了，也无法占据市场。在波音和空客用复合材料飞机替代金属飞机大背景下，我国要研制大型客机，只有迎头赶上，生产出与之抗衡的飞机才行，这需要广大技术人员付出更多的努力。目前国内的飞机专家都已认识到了这个问题，一批专家已提前进行飞机的预研。据中国航空工业第一集团公司科技委副主任冯培德透露，现在已有上亿元
18、的经费投入到预研中，其中就包括材料。“冰冻三尺，非一日之寒” ，我国民机技术全方位地落后于欧美国家，是由于多方面的因素造成的，其中主要有三个：一是由于我国民机的型号研制频度太低，无法有效积累大量数据；二是由于民机生产至今还没有相关的研究所，民机直到现在还没有转向研究开发型。三是我国科技转化生产力水平较低，与欧美航空工业相比，我国航空企业还没有成为真正的科技转化生产力的主体，科技转化生产力体制机制的最佳模式还没形成。5.结语我国现在开始抓飞机复合材料的预研，当然有利于缩小与世界先进水平的差距。但是从长远来看，要从根本上解决我国民机技术上的差距，还得从解决我国民机技术长期落后的三个原因做起，即要加
19、大民机研制的频度、成立专门的民机研究所、建立科技转化生产力体制机制的航空工业最佳模式。高性能树脂基体及其改性是我门树脂行业的责任和义务。努力做好这方面的研发和产业化才能使我们从一个生产消费大国变成真正的生产消费强国。摘录文献：【1】吴良义等。罗兰温晓蒙：热固性树脂基体复合材料的应用及其工业进展，J热圃性树脂，2008，23(增)：22【2】张建艺：先进纤维及其复合材料在西部开发中的机遇：固体火箭发动机复合材料工艺，2000，2：5963【3】赵稼祥；碳纤维复合材料在民用航空上的应用；J高科技纤维与应用，20033：I5【4】霍肖旭；曾晓梅：炭纤维复合材料在固体火箭上的应用J固体火箭发动机复合材料工艺；2000。l：55“6l【5】沃西源：先进复合材料将成为卫星结构的主要材料，内部报告【6】金烽；国际空间站桁架结构和材料；内部报告【7】赵稼祥：碳纤维在美国国防军工上的应用；J】 高科技纤维与应用，2003，1：69【8】谢佐慰等：复合材料在战略导弹和运载火箭结构上的应用情况简介：内部报告【9】刘润山：双马来酰业胺增韧及用作先进复合材料基体的发展， ；J复合材学报，1990，7(4)：7984【10】丘哲明等编著；固体火箭发动机材料与工艺；C】宇航出版社，第一版1995.
