空天動力復合材料技術未來如何發展？

張承雙，張光喜，張啟偉，徐 雨

(1.西安航天復合材料研究所，西安 710025；2.陜西省航天復合材料重點實驗室，西安 710025)

聚焦空天動力復合材料，共同探討如何推動復合材料先進結構設計的發展和實現更高水平、更高成熟度的空天動力領域復合材料應用，這是2022年8月在遼寧大連召開的“空天動力復合材料及應用專業委員會2022年度學術會議”包括中國科學院、工程院院士在內的近200名專家學者研討的主題。

1 行業專家縱談復合材料技術前沿

復合材料技術前沿方面，特邀主旨報告反映了我國在纖維、基體和涂料等方面的研究成果，值得關注。

烯碳纖維作為國家戰略新興材料，在導電塑料、輕質高強復合材料、寬頻段輕質電磁屏蔽、沖擊防護、智能材料、電子器件等方面具有廣泛的應用。北京大學張錦院士作了“烯碳纖維的控制制備與應用探索”的特邀報告，詳細介紹了烯碳材料(主要包括碳納米管和石墨烯)的可控制備思想，重點面向航空航天、國防軍事、能源、生物等領域對輕質高強高性能纖維提出的特殊結構和功能需求，提出了高力學性能及結構功能一體化烯碳纖維的制備方法，揭示了烯碳纖維中烯碳材料結構單元的組裝結構調控及性能傳遞規律，探索了其在防彈、防護和人工肌肉中的應用前景。

航空、航天等諸多高科技領域輕質高強耐高溫的高性能工程塑料需求迫切，但是由于國產傳統塑料耐高溫性差的缺陷，導致其無法滿足應用要求。因此，迫切需要創新研發綜合性能優異的新型耐高溫高分子材料，并開展相應的加工、應用研究。大連理工大學蹇錫高院士團隊在高性能工程塑料、高性能樹脂基復合材料、耐高溫特種絕緣材料等領域取得了諸多創新型成果，蹇院士會上詳細介紹了新型雜環高性能工程塑料及其加工應用研發方面的系列成果。該團隊在國際上首次提出了全芳環非共平面扭曲的分子鏈結構可賦予聚合物既耐高溫又可溶解的優異綜合性能的學術思想，成功研制了含二氮雜萘酮聯苯結構二酐、二胺、二酸等系列聚合物新單體，開發出新型聚芳酰胺、聚酰亞胺、聚酰胺酰亞胺、聚芳酯等系列高性能樹脂，形成了獨具特色的高性能聚合物體系，研究成果在航空、航天、核工業、船舶、交通、石油化工等高技術領域得到了廣泛應用，有力推動了我國高性能復合材料技術發展與進步。

西安電子科技大學周益春教授作了“脆性陶瓷涂層的鐵彈增韌機制”的學術報告，重點介紹了其團隊對于疇及其與韌性關聯的認識、鐵彈疇及疇變行為的精細表征、變形與裂紋尖端疇變的理論分析以及鐵彈疇增韌機制，提出了鐵彈疇是脆性陶瓷韌性設計與調控的重要方向，闡明了鐵彈疇形核與翻轉都可誘導涂層增韌的機理，揭示了增韌的本質源于納米尺度疇的應變梯度效應，明確了疇的尺寸是調控宏觀韌性的關鍵參數等結論，這些成果對于促進陶瓷涂層技術發展具有重要的指導意義。

2 學術會議交流航天動力應用進展

航空、航天是當今世界最具挑戰性和廣泛帶動性的高技術領域，空天飛行器等高端裝備的快速發展對先進復合材料與結構提出了日益迫切的技術要求。

作為需求方，北京跟蹤與通信技術研究所楊燦總師詳細介紹了空間飛行器的應用類型及趨勢、空間飛行器對復合材料的應用需求及應用路徑，提出未來空間飛行器用先進復合材料發展方向是更低成本、更長壽命和更多功能。楊燦總師在“先進復合材料在空間飛行器中的應用需求”特邀報告最后，建議面向未來空間飛行器的結構和功能需求，研發耐磨性更高、空間適應性更好的潤滑材料和密封材料，結構強度更高、疲勞性更好的結構材料，能量密度更高、服役壽命更長的儲能材料，更好的抗空間或熱輻射/熱吸收/隔熱材料等新材料。

作為應用方，張承雙研究員代表西安航天復合材料研究所作了“高性能熱塑性復合材料原位成型關鍵技術”的學術報告，重點面向新一代大型運載火箭對固體發動機殼體和液體火箭貯箱提出的結構/防熱一體化、抗損傷以及快速高精度制造等技術需求，詳細介紹了高性能熱塑性復合材料原位成型技術原理及國內外發展趨勢，提出了面向工程應用的原位成型鋪放單元設計及控制系統開發、熱塑性復合材料原位成型過程建模與仿真、熱塑性復合材料原位成型過程在線監測等技術發展建議，該項研究工作對于加快推進國內先進復合材料制造技術在高端裝備領域的示范應用具有重要影響。

從參會作者交流論文可見，我國復合材料應用方面近年取得長足進步，特別表現在如下幾方面：

(1)數字化建模與仿真技術應用日益廣泛

通過建立聚合物分子結構模型，對復合材料成型工藝過程進行數字化仿真分析，不斷完善復合材料性能數據庫，能夠更加準確地實現復合材料原材料篩選、工藝設計、質量控制及性能檢測，使復合材料研發成本不斷降低。

(2)智能材料與結構發展迅速

采用新型磁性纖維作為傳感元件，研究熱塑性聚合物的分子鏈運動行為和具有自修復功能的Vitrimers等樹脂的結構變化，分析材料的固化過程及失效行為，揭示材料的應變、電阻和熱物理性能等參數隨溫度的變化規律，能夠實現復合材料與結構的自診斷及自修復。

(3)極端環境材料引發廣泛關注

針對超高溫、極低溫、強輻射等極端環境服役要求，開展耐低溫空間復合材料、耐超高溫硅基外防熱涂料以及含苯撐結構的抗輻射聚合物材料研究，引發廣泛關注。

此次會議還設置了5個分會場，共有56篇學術報告進行了現場交流。其中，空天復合材料結構設計與仿真分會場11篇、復合材料基礎原材料分會場12篇、復合材料加工與裝配分會場11篇、復合材料性能表征與測試分會場11篇、先進復合材料成型工藝與裝備分會場11篇。這些學術報告分別從不同維度集中展示了近年來我國航天、航空等領域專家學者和工程技術人員在先進復合材料設計、制造和應用等方面取得的最新成果，對于推動我國空天動力復合材料基礎研究和工程應用技術發展都具有十分重大的意義。