淺談基于復合材料的結構外殼在實際中的應用

歐陽健為

摘 要：高分子復合材料自從上世紀中葉問世以來，以其結構強度高、彈性模量大、可塑性強、耐疲勞性和耐腐蝕性好等特點，在各領域的結構外殼設計中被廣泛采用。本文通過探討基于復合材料的結構外殼在各領域中的具體應用場景，進而分析其應具有功能特性并總結當前所遇到的各種問題，為以后的復合材料設計研究和應用提供參考。

關鍵詞：復合材料;結構外殼;航空航天;外形設計

隨著科技的快速發展，傳統的金屬和非金屬材料已經遠遠不能滿足當前外殼結構設計的需要，因而各種新型復合材料不斷出現，并被廣泛應用在航空航天、汽車、船舶等領域的結構外殼設計中。由于復合材料具有廣闊的市場需求和應用前景，并且其各種功能均有較大的提升空間，所以對復合材料的應用進行研究具有很大的價值和意義。

一、復合材料的概述

復合材料是通過利用先進的材料制備技術，將兩種或者多種具有不同化學、物理性質的材料按照一定的比例或分布進行材料融合而產生的。同時由于復合材料能夠將各組分材料的性能進行互補或者關聯，因此復合材料可以結合多種材料的優點，滿足單個材料所不能達到的性能要求，進而達到人們的設計預期。并且復合材料能夠根據結構設計要求，實現對材料的復合結構設計，從而滿足功能的實用化。

二、復合材料的特性

復合材料作為一種混合物，通過人為地將各種金屬或非金屬材料按一定的融合方式結合在一起，擁有比傳統材料更加優越的物理或化學特性。同時由于復合材料的各種特性可以根據組成成分的不同而有所區別，因而復合材料的各種特性可以進行定向改進。

（一）結構強度與彈性模量

復合材料相比較于傳統的金屬及其合金，能夠在相同質量的情況下提供更好的結構強度以及彈性模量，并且在抗疲勞性方面也有較大的優勢。因此復合材料的比強度和比模量較好，對需要支撐或需減輕自重的結構件具有重要意義。

（二）復合材料的介電特性

介電性是指物質保持電荷[1]的能力，不同于傳統的金屬材料在低頻波通過時導電、高頻波通過時絕緣的介電特性。復合材料能夠在有低頻波通過時，保持絕緣性;在高頻波通過時，能夠將高頻波產生的震蕩電場抵消，進而使高頻波（微波）能夠穿透材料。

（三）耐熱及防火性能

在復合材料中，合成纖維的熔點（或軟化點）通常高于2000℃，由這些纖維結合金屬基質組成的復合材料在高溫下具有較好的比強度和比模量。例如：用碳纖維與鈦基纖維結合后，400℃時的比強度和比模量可以與室溫時的參數相同;同時，由于某些復合材料（如FRP[2]）的導熱系數極低，可以在瞬間抵抗超高溫，因此可以用作抗燒蝕材料。

（四）復合材料的耐腐蝕性

復合材料尤其是部分纖維復合材料，具有很強的耐腐蝕性。例如，纖維增強酚醛塑料可長時間用于含氯離子的酸性介質中，可用于制造耐強酸、鹽、酯和某些溶劑的盛裝設備;同時，耐堿纖維與塑料復合，也可用于強堿性介質中。

（五）結構的可設計性

由于復合材料是通過人工合成的，因此可以在制備過程中調節復合材料的組成成分以及各成分的含量和分布，進而可以滿足諸如部件的強度和剛性的性能要求。并且復合材料可以與部件一次成型，減少了部件、緊固件和接頭的數量，同時大大提高了材料的利用率。

三、復合材料在結構外殼中的應用

與傳統材料相比，復合材料的各個組分在性能上起著協同作用，因此具有單一材料無法比擬的優異綜合性能。同時由于復合材料的可設計性較好，在制作某些復雜部件時能夠避免在塑造成型后對自己結構的破壞，提高了自身的結構強度。

（一）在航空航天領域中的應用

復合材料被大量應用在航空航天領域當中，如在“天宮二號”空間站的外殼、波音747飛機的機翼和黑鷹直升機的螺旋槳等部分，都使用了大量的碳基復合材料、陶瓷基復合材料和金屬基復合材料等先進復合材料來提升其結構強度，并減輕自身的質量。

（二）在汽車制造業中的應用

傳統的汽車車身材料大多使用金屬及其合金，尤其以薄鋼板為主，不能滿足人們對高速、輕量化的追求。因而部分汽車廠家開始采用纖維增強塑料（ 如FRP[3]） 來對汽車的車身結構進行設計和制造，從而達到減輕車身質量、提高汽車速度并降低油耗的目的。

（三）在船舶及潛艇中的應用

由于復合材料具有較高的結構強度，并具有較為穩定的化學性質，不會被海水所腐蝕，因而被應用在各型船舶的外殼設計中;同時因為某些復合材料如高密度碳纖維板等，具有比金屬及其合金更好的硬度和強度，因而在潛艇的外殼設計中也到了大量的應用。

（四）在微波天線領域中的應用

除了在制造業中的應用，復合材料相比于傳統材料，其介電性和微波穿透性要遠優于金屬及其合金材料;同時在結構強度和化學穩定性方面，復合材料比傳統的非金屬材料更有優勢。

四、結語

先進的復合材料與各種傳統材料相比具有更加優異的綜合性能，并已被廣泛地應用到社會的多個領域，推動了相關工業技術的向前發展。但我國目前關于復合材料構件的整體成型、復雜結構設計等技術相對落后。因此我國需要加大對復合材料及其相關產業的基礎研發投入，并不斷提高復合材料的結構效率及其可靠性，為復合材料的普及應用和深入研究提供有效的保障，促進國內相關產業的進步。

參考文獻

[1] 馬立敏，張嘉振，岳廣全，劉建光，薛佳.復合材料在新一代大型民用飛機中的應用[J].復合材料學報，2015，32（02）：317-322.

[2] 趙欣，朱健健，李夢，劉亞飛.復合材料應用研究與產業發展建議[J].材料導報，2016，30（S1）：525-530+538.