航空航天复合材料绿色化发展探析

魏小敏

摘要：复合材料的研发和应用是人类航空航天事业发展与进步的基础和导向，尤其是进入21世纪以后，在全球工业化高速发展的推动下，复合材料的设计和生产制造等领域都获得了良好的发展，给人类的生活和生产活动等带来了很大的变化。航空航天复合材料的绿色化发展，将航空航天材料的设计和制造推向了全新的高度，是符合社会发展和技术革新的先进理念，未来的发展前景良好。

关键词：航空航天;复合材料;绿色化

1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。

2复合材料在航空航天领域中的应用

2.1陶瓷基复合材料和碳复合材料。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。相應地，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。

2.2金属基复合材料。金属基复合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。

3航空航天复合材料绿色化发展技术

3.1复合材料开发技术。航空航天复合材料绿色化发展，从高性能的复合材料绿色化开发技术方向来看，主要有可回收的热塑性树脂复合材料、可降解的热固性树脂复合材料两种。航空航天应用到的高性能复合材料需要着重解决的问题是热固性树脂材料无法回收和降解。在此背景下，从20世纪90年代开始，世界各国就相继开发了一系列的高性能热塑性树脂复合材料，例如聚苯硫醚系列、聚醚酮系列等。此类可降解热塑性树脂复合材料在综合力学性能、耐腐蚀性以及韧性等方面都有了很大的提升，并且在开发技术和制造工艺上具备了二次以及多次成型的特点，还可以进行有效的回收和再利用，被广泛应用在航空航天器的主承力结构上。航空航天热固性树脂复合材料主要指的是环氧树脂，该材料具有耐热性好、固化尺寸稳定、耐腐蚀以及粘结强度高等优点，是近年来使用最为频繁的复合材料之一，比较适合用于民用飞机复合材料结构的制造。

3.2复合材料制备技术。航空航天复合材料的制备需要使用到碳纤维，以此提高复合材料的性能强度，同时还可以减轻复合材料的质量。碳纤维的生产和应用是航空航天复合材料制备技术中的重点，是一项高投入、高能耗以及高污染的产业，对复合材料的制备技术也有很高的要求。为了更好地利用碳纤维，并降低其生产成本，需要从开发新型碳纤维前驱体、开发低成本制备工艺、开发大丝束品种以及开发各种新制备技术等方面入手，全面应对复合材料制备技术的应用困难。其中，木质素制备碳纤维技术可以从乙醇生产副产品中提取出α-纤维素，在经过熔纺和碳化以后可以制备成低成本的碳纤维，也可以在杉树等针叶林木中提出纤维素制备成木质碳纤维，这类低成本碳纤维的抗拉强度与石化原料制备而成的碳纤维基本一致，制备成本也相差不大，有效解决了石化资源短缺的问题，但是形成产业化还需要一定的时间。复合材料制备技术的开发在未来的几十年里必将获得成功，碳纤维丝束的品种会越来越多，可以满足不同设计要求的使用，制备工艺也会得到优化和创新，新技术也会层出不穷，会进一步提高复合材料制备的效率，同时降低能耗和资源的浪费，推动航空航天复合材料绿色化的发展。

3.3回收再利用技术。航空航天复合材料中使用到的碳纤维是一种制备成本高昂的产品，据估算，每制备1t的碳纤维需要花费81345元，而且碳纤维在使用后无法被降解，退役或者损坏后只能通过掩埋或者焚烧的方式进行处理，资源浪费情况严重，而且造成一定的环境污染，因此航空航天复合材料的回收再利用技术研发和应用就显得十分有必要，在经过数年的研究和实验后，目前已经取得了一定的进展，也得到了有效的应用。对热塑性树脂复合材料，使用熔融再生法可以实现对复合材料的回收再利用，复合材料在经过清洗、重熔、注模压缩后可以制造成新的复合材料，重新投入使用。另外，还可以通过在热塑性树脂材料中添加溶剂将其溶解，通过沉淀分离出聚合物和纤维，再经过过滤提取出其中的纤维材料，进行二次使用。针对热固性复合材料则可以使用物理法、热解法以及超临界流体法等将复合材料分解、压碎，从中获得干净的碳纤维，并且可以保留其原始的性能，不影响再次使用。复合材料的回收再利用技术依然处在探索和发展的阶段，相信在不久的将来会得到更大的进步，进一步提高碳纤维的回收率和利用率，促进航空航天复合材料绿色化的发展。

结束语

航空航天复合材料绿色化发展是必然趋势，是实现资源高效利用、环境保护以及航空航天事业发展的前提，需要从材料设计、制备工艺与技术、材料开发以及回收再利用技术等方面入手，全面提高航空航天复合材料绿色化技术水平，以此带动航空航天复合材料的不断发展与突破，争取早日形成产业化生产模式，进一步提高我国航空航天事业的发展高度。

参考文献

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