浅谈复合材料在航空航天领域中的应用

李喜志，柳 辉

（东方蓝天钛金科技有限公司，山东烟台 264003）

0 引言

航空材料泛指被用于制造航空飞行器的材料，以飞机举例，一架军用飞机的核心包括机体、发动机、机载电子及火力控制四个部分，一架民用客机的核心则包括机体、发动机、机载电子和机舱四个部分。航空材料具有较高的质量要求，轻质高强度、高温耐蚀和低成本等优势材料才能真正在航空航天领域发挥出应有作用，未来航空材料将朝着高性能、高功能、复合化、智能化、低成本以及高环境相容性的方向发展。出于对航空飞行器运作过程中的安全问题考虑，关于航空结构材料选择的特点优先考虑轻质、可靠及高强度，所以选用复合材料在航空航天领域中尤为重要[1]。

1 航空航天复合材料的组成

复合材料的出现是在传统航空航天结构材料的基础上，运用现代先进的科学技术研发，通过多次试验而研制出来的较为高级的材料，是符合当前时代航空航天发展现状的材料。随着航空航天技术的变革而不断开发和改进，复合材料始终对航空结构保持充足的原材料供给。目前对各国关于结构材料上的优劣判断，往往依照航空航天结构所用材料来判定，复合材料的运用决定着一个国家航空结构技术的最高水平[2]。

2 复合材料在航空航天领域中的优势

伴随航空航天技术的不断发展，航空结构原材料的来源开始了新的选择，经过多种材料的运用比较，复合材料逐渐走进航空航天的研究领域，逐渐被全面运用。复合材料在飞机结构上的运用，有效减轻了飞机本身的重量，减少了结构的复杂性，使目前的航空航天技术更便捷地从理论变现到实践中。复合材料以更加优越的综合性能逐渐取代传统结构材料在航空航天领域中的地位，成为目前航空结构应用最广泛的材料，并且复合材料巨大的用量使其开始成为影响航空航天事业的一个重要因素。复合材料在航空结构上的用量目前接近20%左右，随着时代的发展和航空航天技术的不断更新，航空结构对复合材料的需求量持续扩大。在航天器的研发领域，复合材料逐渐被广泛运用于航天器的制造、巡航导弹的部件制造等方面[3]。

3 复合材料在航空航天领域中的应用

3.1 纤维增强树脂基复合材料

树脂基复合材料是当前航空航天使用的主要复合材料之一，其在研发过程中在原有树脂材料的基础上加入芳纶纤维、碳纤维等纤维成分作为高级材料的增强剂，从而混合研制成的复合材料。相比传统的钢、铝等结构材料，树脂基复合材料具有重量更轻、强度更大等方面的材料优势，正逐渐成为航空航天领域中复合材料的主流。树脂基复合材料不仅可以用于航空结构部件的制作，还能够在功能性部件的制作过程中起到重要作用，对提升其性能有极佳效果。

由于航空领域结构制作的特殊性，对树脂基复合材料的要求仍然相对较高，不仅需要具有极强的耐热性能，自身还需要具备极强的抗毁伤能力和应对不同天气状况的能力。就目前的形式，树脂基复合材料也分为多种类型，如当前运用最多的树脂基复合材料就是碳纤维树脂基复合材料，相对于其他的复合材料更容易进行研制，且具有更加稳定的性能，因此成为了树脂基复合材料中最常使用的一种材料[4]。

例如在航空工业制造过程中，树脂基复合材料主要被运用于制造飞机机翼、机身、发动机外涵道等，还可以用来制作发动机喷管的烧蚀防热材料和雷达天线罩等。如在A380 机型中，飞机的尾椎、平尾、非承压机身、起落架舱门、中央翼盒、机翼等多种结构所用的复合材料都是来源于树脂基复合材料，足以证明其在航空结构中的重要性。

3.2 金属基复合材料

金属基复合材料也是航空航天领域运用较为广泛的一种复合材料，其以某一金属最为基体，从中加入各种金属元素，形成具有更稳定性能的金属基复合材料。早期金属基复合材料的研发过程中，大多试验是以Al、Mg 等轻金属为基体的复合材料，随着研究范围的发展以及科学技术的提升，更多的科学研究人员开始将金属基复合材料的研究领域拓展到了碳化硅等复合材料的研究中。金属基复合材料材料相比于其他的基体材料，具有低消耗、高收益以及优良的后续开发性和改造型的优势，相比于人为强化的合金材料，具有更加强劲的性能，成为许多应用领域中的热门之选。由于金属基复合材料在我国的研发起步较晚，目前在航空航天领域并没有大面积投入使用。

在未来的航空航天发展领域中，无人机的研发和材料选择是一个至关重要的发展方向。无人机的主流趋势是保证飞行机器飞行高度更高、时间更长、隐身效果更好，而要想提高无人机的效能、减少投入成本，复合材料的使用是一大关键要素。金属基材料在运用过程中展现出较多的性能特性，对于一般的金属材料具有更高的抗压性、抗高温性以及导电性，可以作为飞机上众多的零部件构成材料。如将金属基复合材料运用在无人机的机翼位置，相对于传统的铝合金结构，整体重量能够减轻60%左右。利用复合材料，研究人员还能够实现传统金属材料所难以企及的空气动力学设计，使无人机的研究向前跨一大步[5]。

3.3 陶瓷基复合材料和碳复合材料

陶瓷基复合材料也是当前研究人员重点研究的航空航天材料，陶瓷基复合材料和碳复合材料的研究对于航空航天事业的发展有重要意义。在航空航天技术发展过程中，飞机上的各个设备都面临高温、高压的影响，如果这些设备材料不能够满足设备要求，可能会影响整个飞机运行稳定性，而陶瓷复合基材料因为具有抗高温的性能被应用于发动机部件领域。陶瓷基复合材料抗弯强度高、耐热性强、比重小，能够承受较高的热浪冲击。实际运用中，为了增强陶瓷复合基的韧性，保证复合基的使用质量，会在陶瓷复合基形成过程中加入一定量的纤维素，使陶瓷复合基具有一定的柔韧度，增强陶瓷复合基的使用性能。碳复合材料的耐热性也比较好，两者作为耐热性的复合材料被研制成功，弥补了航空航天领域关于耐热结构材料所欠缺的空白，成为未来军事工业发展的重要基础材料之一。

陶瓷复合材料和碳复合材料主要被用于制作飞机燃气涡轮发动机喷嘴阀，因为其耐高温的特性，是高温发动机部件的不二之选。如在航空发动机的生产过程中，将陶瓷基复合材料运用于发动机的空气流动通道中，可以减少发动机的冷却过程甚至直接消除，从而大大降低涡轮扇发动机的重量，飞机发动机的效率也能够提升到新的层次。相应地，发动机性能、耐磨损能力、持久能力以及燃油经济性也能够得到很大改善[6-8]。

4 总结

基于航空航天领域对于航空结构材料的选择，未来可能会开发出更加节能、有效的新型高级材料，使复合材料朝着多功能、高强度、易回收以及高兼容性的方向发展。未来航空航天领域将在原材料、制备加工、监测评价以及维修等环节更加合理。虽然目前航空航天材料的研究依旧存在众多不足，研究人员需要继续加强对航空航天材料的研究，对其进行改造和改性，使其更加具有竞争性和合理性，以此推动我国材料科学技术和航空航天领域技术的发展。