復合材料的構型化設計及在航空方面的應用

蘇曉瞳 遼陽職業技術學院

1 航空用復合材料

在現代材料科學與技術的發展歷程中，航空材料一直扮演著先導和基礎作用。航空材料反映結構材料發展的前沿，代表了一個國家結構材料技術的最高水平。先進復合材料是指用纖維、織物、晶須及顆粒等增強基體材料所制成的高級材料。按基體材料的不同，先進復合材料可分為樹脂基復合材料、金屬基復合材料、碳基復合材料、陶瓷基復合材料;按功能又可分為導電復合材料、導磁復合材料、阻尼復合材料、屏蔽復合材料等。航空上應用較廣的先進復合材料主要有以下幾種:樹脂基復合材料、陶瓷基復合材料和碳/碳復合材料、功能復合材料等。

1.1 樹脂基復合材料

樹脂基復合材料是以纖維為增強劑、以樹脂為基體的復合材料，所用的纖維有碳纖維、芳綸纖維、超高模量聚乙烯纖維等，所采用的基體主要有環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等有機材料。與傳統的鋼、鋁合金結構材料相比，樹脂基復合材料的密度約為鋼的1/5，鋁合金的1/2，且比強度與比模量明顯高于后二者(見表1)。這類材料既可制作結構件，又可用于功能件及結構功能件。國際上航空先進樹脂基復合材料的主要性能要求是較高的耐溫度使用性、盡可能高的抗損傷容限和盡可能低的濕熱環境效應。

碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)具有比重小、比強度高、耐高溫、減振性好、耐疲勞性能優越等優點，是目前民用飛機上用量最大，也是航空航天等尖端科技領域發展較為成熟的先進復合材料。近年的趨勢是發展液態成型紡織復合材料和非熱壓罐型技術如電子束輻照交聯技術等，即低成本制造技術。為進一步迎接先進復合材料更高性價比的挑戰，歐洲空中客車公司提出更多地應用碳纖維復合材料以減重30%，從而降低飛行成本40%的目標[5]。

芳綸纖維復合材料(AFRP)拉伸強度高，彈性模量高，比重小，熱穩定性高，有良好的耐介質性能，作為復合裝甲材料有較強的防護性。國外近年對該種裝甲材料用于軍民用飛機的興趣日益高漲。“光譜屏蔽”材料是一種由光譜纖維及芳綸纖維增強的復合材料。光譜纖維是一種高強度、高模量的聚乙烯纖維，比強度為鋼的十倍，比重0.97。其關鍵性能指標-抗沖擊性能相當出色。光譜纖維制成的編織物能迅速消散發射中產生的能量。它已列入美國海岸警衛隊更綜合化、更輕質的飛機裝甲系統材料，另外也用于一系列固定翼及旋翼機，如美國陸軍“黑鷹”的地板及座椅裝甲、AC-130的地板、座椅及加固的座艙門，以及“科曼奇”(該項目被取消之前)[6]。大型直升機使用這種裝甲材料也被國外看好。空客公司對在A400M軍用運輸機上使用它很感興趣。波音也正在評估將這種新型高強度材料用于B-7E7座艙門、副翼、座椅及機翼制造的可能性。

1.2 金屬基復合材料

金屬基復合材料主要是隨航空航天工業上高強度、低密度的要求而出現的。廣泛研究和應用的材料有Al、Mg等輕金屬為基體的復合材料，80年代得到迅速發展。研究重點集中在碳化硅或氧化鋁粒子、短纖維增強鋁基復合材料。這類材料具有優良的橫向性能、低消耗和優良的可加工性，與未強化合金相比，性能也有大幅度地提高。所有這些因素使這類材料已成為許多應用領域中最具商業吸引力的材料。金屬基復合材料在航空和宇航方面的應用主要用于替代有毒的鈹。金屬基復合材料在國外已實現了商品化，而在我國僅有少量批量生產，以汽車零件、機械零件為主，主要是耐磨復合材料如顆粒增強鋁基、鋅基復合材料、短纖維增強鋁基復合材料等，年產量僅5000t左右，與國外差距較大。

1.3 陶瓷基和碳/碳復合材料

陶瓷基和碳/碳復合材料屬于耐熱結構復合材料。陶瓷基復合材料抗彎強度高，斷裂韌性高，比重小，抗氧化，耐高溫，熱膨脹系數較小，工作溫度在1250～1650℃。碳/碳復合材料的耐熱也很好，能在1650℃以上的高溫使用。這兩種材料都可用作高溫發動機的部件。陶瓷基復合材料的潛在應用領域廣泛，包括宇航、國防、能源、汽車工業、環保、生物、化學工業等，在未來的國際競爭中將起關鍵的作用。發達國家投入巨資進行研究，美國和西歐各國側重于航空和軍事應用，日本則力求把它應用在工業上。1987年美國能源部開始實施陶瓷基復合材料的研發計劃，國防部和宇航局(NASA)等單位也投入大量人力和經費。僅1992年美國投入陶瓷基復合材料應用研究的經費高達3500萬美元。近年來美國國防部一直把這項技術列入重點投資項目。據悉，SiCf/SiC已得到較成功的應用。NASA開展陶瓷燃氣輪發動機(AGT)研究課題，研制的葉片、燃燒室渦形管等構件已通過熱試驗[7]。法國SEP公司用陶瓷基復合材料制成的SCDSEP火箭試驗發動機已通過點火試車，由于使用了陶瓷基復合材料使結構減輕了50%[8]。國內從20世紀90年代初開始進行包括工藝、組成、顯微結構、界面結構、力學性能和熱處理等方面的研究，目前尚未有批量生產的報道。

1.4 功能復合材料

功能復合材料是指具有光、電、聲、熱、磁特性的材料，按不同的應用進行組合匹配得到不僅保持原有特性，還能產生一些新特性或比原來更具優越特性的材料。例如，通過向高孔率壓電陶瓷中灌注有機聚合物制作的壓電材料，可有效地提高探測器的靈敏度，增大探測距離。正在研究的新型功能復合材料還有柔性薄膜紅外熱釋電復合材料、折射率和反射率可變的復合材料、熱濕敏復合材料、磁性復合材料、屏蔽復合材料和導電復合材料。

目前最顯著的先進航空材料還包括鋁合金-玻璃纖維混雜復合材料(GLARE)，玻璃纖維復合材料(GFRP)以及韌性環氧樹脂、雙馬來酚亞胺樹脂和聚酚亞胺樹脂基復合材料等。上述復合材料覆蓋了航空飛行器機體的主要面積。就高溫要求而言，雙馬來酚亞胺、特別是可以液態成型的聚酚亞胺樹脂基復合材料(如PETI系列)的前景看好。

2 鋁基復合材料的構型化設計

一般來說，在鋁基復合材料的制備過程中往往要盡可能地追求增強體在基體中的均勻分散，以避免增強體聚集造成的材料缺陷、應力集中等現象對材料性能造成的損害。然而，對于大部分復合材料體系而言，增強體均勻分散并不是最優化的構型。相反，合理地控制復合材料各組分的空間分布，調控材料結構在空間上的不均勻性，更有機會使其整體性能最大化。這種空間分布在尺度上既不同于材料構件的宏觀結構，也不同于復合材料中的位錯、晶界、界面等微觀結構，而是在中間尺度上對材料結構的一種構筑，因而被稱為材料的“構型”

近年來，人們逐漸重視鋁基復合材料中構型的作用，設計出了一系列具有殊構型的復合材料，希望通過結構效應對材料性能進行調控。目前在鋁基復合材料中已經報道的構型包括島狀，雙峰、多峰分布，層狀，多芯，網絡等多種復合構型。但總體說來，目前尚沒有一種成熟、普遍的原則來指導不同鋁基復合材料的構型設計，需要針對材料體系和性能目標進行獨立的設計和研究。考慮到實際材料性能調控效果和制備上的易行性，在諸多構型中，雙峰、多峰分布，層狀和網絡構型具有較高的實用性和發展潛力，因此受到了研究者們的廣泛關注。

[1]Moon BK，Ishiwara H，Tolumitsu E，etal. Thin Solid Films，2001，385：307

[2]Wilk G D，Wallaee RM. Appl Phys Lett，2000，76(1)：112