复合材料的构型化设计及在航空方面的应用

苏晓瞳 辽阳职业技术学院

1 航空用复合材料

在现代材料科学与技术的发展历程中，航空材料一直扮演着先导和基础作用。航空材料反映结构材料发展的前沿，代表了一个国家结构材料技术的最高水平。先进复合材料是指用纤维、织物、晶须及颗粒等增强基体材料所制成的高级材料。按基体材料的不同，先进复合材料可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、碳基复合材料、陶瓷基复合材料;按功能又可分为导电复合材料、导磁复合材料、阻尼复合材料、屏蔽复合材料等。航空上应用较广的先进复合材料主要有以下几种:树脂基复合材料、陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料、功能复合材料等。

1.1 树脂基复合材料

树脂基复合材料是以纤维为增强剂、以树脂为基体的复合材料，所用的纤维有碳纤维、芳纶纤维、超高模量聚乙烯纤维等，所采用的基体主要有环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等有机材料。与传统的钢、铝合金结构材料相比，树脂基复合材料的密度约为钢的1/5，铝合金的1/2，且比强度与比模量明显高于后二者(见表1)。这类材料既可制作结构件，又可用于功能件及结构功能件。国际上航空先进树脂基复合材料的主要性能要求是较高的耐温度使用性、尽可能高的抗损伤容限和尽可能低的湿热环境效应。

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有比重小、比强度高、耐高温、减振性好、耐疲劳性能优越等优点，是目前民用飞机上用量最大，也是航空航天等尖端科技领域发展较为成熟的先进复合材料。近年的趋势是发展液态成型纺织复合材料和非热压罐型技术如电子束辐照交联技术等，即低成本制造技术。为进一步迎接先进复合材料更高性价比的挑战，欧洲空中客车公司提出更多地应用碳纤维复合材料以减重30%，从而降低飞行成本40%的目标[5]。

芳纶纤维复合材料(AFRP)拉伸强度高，弹性模量高，比重小，热稳定性高，有良好的耐介质性能，作为复合装甲材料有较强的防护性。国外近年对该种装甲材料用于军民用飞机的兴趣日益高涨。“光谱屏蔽”材料是一种由光谱纤维及芳纶纤维增强的复合材料。光谱纤维是一种高强度、高模量的聚乙烯纤维，比强度为钢的十倍，比重0.97。其关键性能指标-抗冲击性能相当出色。光谱纤维制成的编织物能迅速消散发射中产生的能量。它已列入美国海岸警卫队更综合化、更轻质的飞机装甲系统材料，另外也用于一系列固定翼及旋翼机，如美国陆军“黑鹰”的地板及座椅装甲、AC-130的地板、座椅及加固的座舱门，以及“科曼奇”(该项目被取消之前)[6]。大型直升机使用这种装甲材料也被国外看好。空客公司对在A400M军用运输机上使用它很感兴趣。波音也正在评估将这种新型高强度材料用于B-7E7座舱门、副翼、座椅及机翼制造的可能性。

1.2 金属基复合材料

金属基复合材料主要是随航空航天工业上高强度、低密度的要求而出现的。广泛研究和应用的材料有Al、Mg等轻金属为基体的复合材料，80年代得到迅速发展。研究重点集中在碳化硅或氧化铝粒子、短纤维增强铝基复合材料。这类材料具有优良的横向性能、低消耗和优良的可加工性，与未强化合金相比，性能也有大幅度地提高。所有这些因素使这类材料已成为许多应用领域中最具商业吸引力的材料。金属基复合材料在航空和宇航方面的应用主要用于替代有毒的铍。金属基复合材料在国外已实现了商品化，而在我国仅有少量批量生产，以汽车零件、机械零件为主，主要是耐磨复合材料如颗粒增强铝基、锌基复合材料、短纤维增强铝基复合材料等，年产量仅5000t左右，与国外差距较大。

1.3 陶瓷基和碳/碳复合材料

陶瓷基和碳/碳复合材料属于耐热结构复合材料。陶瓷基复合材料抗弯强度高，断裂韧性高，比重小，抗氧化，耐高温，热膨胀系数较小，工作温度在1250～1650℃。碳/碳复合材料的耐热也很好，能在1650℃以上的高温使用。这两种材料都可用作高温发动机的部件。陶瓷基复合材料的潜在应用领域广泛，包括宇航、国防、能源、汽车工业、环保、生物、化学工业等，在未来的国际竞争中将起关键的作用。发达国家投入巨资进行研究，美国和西欧各国侧重于航空和军事应用，日本则力求把它应用在工业上。1987年美国能源部开始实施陶瓷基复合材料的研发计划，国防部和宇航局(NASA)等单位也投入大量人力和经费。仅1992年美国投入陶瓷基复合材料应用研究的经费高达3500万美元。近年来美国国防部一直把这项技术列入重点投资项目。据悉，SiCf/SiC已得到较成功的应用。NASA开展陶瓷燃气轮发动机(AGT)研究课题，研制的叶片、燃烧室涡形管等构件已通过热试验[7]。法国SEP公司用陶瓷基复合材料制成的SCDSEP火箭试验发动机已通过点火试车，由于使用了陶瓷基复合材料使结构减轻了50%[8]。国内从20世纪90年代初开始进行包括工艺、组成、显微结构、界面结构、力学性能和热处理等方面的研究，目前尚未有批量生产的报道。

1.4 功能复合材料

功能复合材料是指具有光、电、声、热、磁特性的材料，按不同的应用进行组合匹配得到不仅保持原有特性，还能产生一些新特性或比原来更具优越特性的材料。例如，通过向高孔率压电陶瓷中灌注有机聚合物制作的压电材料，可有效地提高探测器的灵敏度，增大探测距离。正在研究的新型功能复合材料还有柔性薄膜红外热释电复合材料、折射率和反射率可变的复合材料、热湿敏复合材料、磁性复合材料、屏蔽复合材料和导电复合材料。

目前最显著的先进航空材料还包括铝合金-玻璃纤维混杂复合材料(GLARE)，玻璃纤维复合材料(GFRP)以及韧性环氧树脂、双马来酚亚胺树脂和聚酚亚胺树脂基复合材料等。上述复合材料覆盖了航空飞行器机体的主要面积。就高温要求而言，双马来酚亚胺、特别是可以液态成型的聚酚亚胺树脂基复合材料(如PETI系列)的前景看好。

2 铝基复合材料的构型化设计

一般来说，在铝基复合材料的制备过程中往往要尽可能地追求增强体在基体中的均匀分散，以避免增强体聚集造成的材料缺陷、应力集中等现象对材料性能造成的损害。然而，对于大部分复合材料体系而言，增强体均匀分散并不是最优化的构型。相反，合理地控制复合材料各组分的空间分布，调控材料结构在空间上的不均匀性，更有机会使其整体性能最大化。这种空间分布在尺度上既不同于材料构件的宏观结构，也不同于复合材料中的位错、晶界、界面等微观结构，而是在中间尺度上对材料结构的一种构筑，因而被称为材料的“构型”

近年来，人们逐渐重视铝基复合材料中构型的作用，设计出了一系列具有殊构型的复合材料，希望通过结构效应对材料性能进行调控。目前在铝基复合材料中已经报道的构型包括岛状，双峰、多峰分布，层状，多芯，网络等多种复合构型。但总体说来，目前尚没有一种成熟、普遍的原则来指导不同铝基复合材料的构型设计，需要针对材料体系和性能目标进行独立的设计和研究。考虑到实际材料性能调控效果和制备上的易行性，在诸多构型中，双峰、多峰分布，层状和网络构型具有较高的实用性和发展潜力，因此受到了研究者们的广泛关注。

[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