军工行业深度研究报告：军工材料专题之复合材料

（二）复合材料的分类
复合材料可以根据基体材料类别、增强材料形态、复合材料功能的不同来进行分类。
1）按基体材料类别，复合材料可分为金属基、有机非金属基与无机非金属基，如树脂基、铝基、钛基复合材料等；
2）按增强材料形态，复合材料可分为纤维增强、颗粒增强、短纤维增强、片状增强等，如纳米碳管、碳纤维复合材料等；
在热端部件上，由于高温等特殊条件的要求，金属基、陶瓷基及碳/碳复合材料有着重要应用。
SiC长纤维增强钛基复合材料（Ti-MMC）具有高比强度、高比刚度、耐高温、抗疲劳性好和蠕变性能好的优点，Ti-MMC叶环代替压气机盘可使零部件减重70%。未来航空发动机压气机叶片和镜子叶片、整体叶环、机匣和涡轮轴等都将采用金属基复合材料进行制造。陶瓷基复合材料一直是高温材料研究的重点，精细陶瓷和氮化硅制造的发动机部件可以在1371℃温度下工作，性能甚至优于高温合金，但脆性问题目前仍然没有解决。
第一阶段（1903～1919年），木、布结构；
第二阶段（1920～ห้องสมุดไป่ตู้949年），铝、钢结构；
第三阶段（1950～1969年），铝、钛、钢结构；
第四阶段（1970～21世纪初），铝、钛、钢、复合材料结构（以铝为主）；
第五阶段（21世纪初至今。）：复合材料、铝、钛、钢结构（以复合材料为主）。
使用碳纤维增强树脂基复合材料的飞机，在减轻飞机重量、减少燃油、减少维修成本和延长飞机使用寿命上有明显优势，而传统的铝合金材料则会随着时间推移被慢慢腐蚀，降低飞机安全性。采用50%复合材料的波音B787飞机维修费用在服役数年后依旧稳定，而传统的铝合金结构飞机B767飞机维修成本将大幅上升。波音公司指出，复合材料将成为“航空航天结构的未来”。
（三）复合材料的特点
各向异性和材料可设计性。这是复合材料最大的特点。复合材料的性能取决于基体、增强体和其含量、铺设方式。复合材料的力学性能及热、光、防腐、抗老化等性能都可以按照使用要求和环境条件，通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等手段，对复合材料进行合理的设计，用最少的材料满足设计要求，有效发挥材料作用。
以美国为例，复合材料在民机的应用大概经历了4个过程。
第一个阶段，20世纪70年代中期，复合材料主要应用于受力较小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件上。
第二个阶段，20世纪80年代中期，复合材料主要应用在受力较小的升降舵、襟副翼等构件。
第三个阶段，复合材料应用在受力较大的垂尾、平尾等构件上。例如波音777飞机的垂尾、平尾都采用了复合材料，复合材料占结构总重量的11%。
在卫星和航天器上，美国和欧洲的卫星结构质量不到总质量的10%，原因就是广泛使用了先进复合材料。目前，卫星的微波通信系统、能源系统和各种支撑结构件基本上实现了复合材料化。
国际先进军民用飞机中，复合材料用量持续增长。主要应用复合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、机翼、中前机身等。F-22战机与空客A380飞机的复合材料用量在20%-25%之间，而波音B787与空客A350的复合材料用量将突破50%，超越铝合金成为用量最大的材料。飞机正进入复合材料时代。
一、复合材料概览
（四）无人机
军用无人机对减重有着迫切的需求，因此复合材料大量应用于无人机上。例如，美国X-45系列飞机的复合材料用量达90%以上；X-47系列飞机基本上为全复合材料飞机，“全球鹰”无人侦察机复合材料用量达65%，其中机翼、尾翼、后机身、大型雷达罩等均由复合材料制成；欧洲的试验无人机“梭鱼”、美国远程攻击无人机“臭鼬”等的情况也基本如此。
第四个阶段，复合材料在飞机最主要受力部件机翼、机身上得到应用。波音787梦想飞机的复合材料用量为50%，超过了铝、钢、钛等金属材料重量的总和。主要应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位，是第一个采用复合材料机翼和机身的大型商用客机。
在欧洲，空中客车公司也从20世纪70年代中期开始了碳纤维增强复合材料在A300系列飞机上的应用研究。1985年，完成了对A320飞机复合材料垂尾的研制，此后A300系列飞机尾翼一级的部件均采用了复合材料，并将复合材料用量迅速推进到15%，超过了波音公司。
（一）复合材料的定义
复合材料（CompositeMaterials）是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既能保留原有组分材料的主要特色，又通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料的简单混合有本质的区别。
复合材料包含基体（matrix）和增强材料（reinforcement）两个部分。基体材料主要起到包裹、支撑和保护增强材料的作用；增强材料是复合材料的关键，分布在基体材料中起到提高增强基体材料性能的作用，如提高强度、韧度及耐热性等，增强材料与基体间存在明显界面。
碳/碳复合材料同样具备低密度、高比强、高比模量、抗热冲击好等优点，是目前在1650℃以上工作温度下唯一备选材料，最高理论温度达到2600℃，被认为最有前途的高温材料。
（六）其他国防军工行业
复合材料高比强度、高比模量、可设计性的特点，使得复合材料在非航空国防工业中也有重要应用。
纤维增强复合材料具有放热、隔热、耐高温等特性，广泛的应用于航天工业上。例如，在防热方面，高强度玻璃纤维树脂基复合材料可以用作多管远程火箭弹和空空导弹结构材料和耐烧蚀隔热材料，实现了喷管收敛段、扩张段和尾翼架整体化，大大减轻了武器质量，提高战术性能。
3）按材料功能，复合材料可分为结构复合材料、功能复合材料及智能复合材料，如导电复合材料、光导纤维、形状记忆合金等。
在复合材料中，结构性树脂复合材料的技术、经济和社会价值有着重要意义。因此，对树脂基复合材料的研究和应用一直是各国研究应用的重点。而在军事装备，尤其是航空装备中，连续碳纤维增强树脂基复合材料的应用价值。
军工行业深度研究报告：军工材料专题之复合材料
复合材料（CompositeMaterials）是由两种或两种以上不同性能、不同形态的材料，通过复合工艺组合而成的新型材料。复合材料既能保持原材料的主要性能，又能通过复合效应与协同效应获得单一原材料不具备的性能，克服单一材料的缺点，从而满足各种不同的需求。
空中客车A380飞机的复合材料用量在25%左右，主要应用在中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身地板梁和后承压框等部位。并采用了大量的先进复合材料，比如全球最大树脂膜浸渗成型的机身后承压框，应用玻璃纤维增强铝合金材料（Glare）的机身上壁板等等。
空客新一代飞机也将迈入以复合材料为主的时代。空客的A400M大型运输机将采用35%-40%的复合材料，主要应用区域包括机翼、垂尾、平尾和螺旋桨叶片等。2013年首飞的A350XWB则采用了52%的复合材料，超过了波音B787的50%。
复合材料的用量已成为衡量军用装备先进性的重要标志。复合材料的兴起丰富了现代材料家族。尤其是具备高强度、高模量、低比重碳纤维增强复合材料的出现，使其成为各类军民装备重要的候选材料之一。美国国防部在2025年国防材料发展预测中提到，只有复合材料能够将强度、模量和耐高温的指标在现有基础上同时提高25%以上。复合材料正成为航空以及国防装备的关键材料。
整体成型。复合材料的构件与材料是同时形成的，具有复合材料的组分材料在复合的同时也形成了结构，一般不再对复合材料进行加工。因此复合材料的整体性好，大幅度减少零部件和连接件数量，降低成本、缩短加工周期、提高可靠性。
比强度、比模量高。飞机结构上主要使用的复合材料以碳纤维树脂基复合材料为主，它具有高的比强度和比模量。比强度和比模量是材料强度和弹性模量与密度的比值，比强度和比模量是真正体现材料性能优劣的参数，意味着较少的材料能承受更高的载荷。先进的复合材料比强度可以高出铝合金6-10倍，比模量高出4倍，先进复合材料的应用能大幅降低飞机的结构重量。
在尾翼进入复合材料时代后，复合材料的应用开始向军机的机翼、机身等结构受力大、尺寸大的主要构件发展。1976年，麦道公司率先研制了F/A-18复合材料机翼，并于1982年正式进入服役，把复合材料用量提高到13%。此后各国所研制的军机的机翼也几乎全部采用了复合材料。例如美国的AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35、法国的“阵风”、瑞典的JAS-39、欧洲四国联合研制的“台风”，俄罗斯的S-37等。
（三）直升机
直升机对复合材料应用非常显着。军用、民用和轻型直升机均大量应用碳纤维复合材料，的直升机复合材料用量已达到结构重量的40%-60%。例如，美国武装直升机科曼奇（RAH-66）的复合材料使用量为50%；欧洲NH-90直升机的复合材料使用量达到80%，接近全复合材料结构。
V-22旋翼飞机是一种新型的飞行结构，可以垂直起降，倾旋转翼后又能高速巡航，复合材料使用量为51%，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等均为复合材料制成，也是一个全复合材料的飞机。
60年代，玻璃纤维增强复合材料首先开始应用于飞机的整流罩、襟副翼中。此时，复合材料力学性能还相对较低，应用复合材料制造的飞机零部件尺寸小、受力水平小。
60年代后期，硼纤维/环氧树脂复合材料开始应用于飞机结构上。例如，F-14于1971年开始将硼纤维增强环氧树脂复合材料应用在平尾上。
70年代中期，诞生了以碳纤维为增强体的高性能复合材料，开启了复合材料在飞机上的大规模应用。具有卓越高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲劳性能的碳纤维增强复合材料非常适合航空装备需求。军机的垂尾、平尾等受力较大、尺寸较大的部件开始逐步使用碳纤维增强复合材料，如F-15、F-16、Mig-29、幻影2000、F/A-18等飞机的复合材料尾翼、垂尾。从70年代至今，国外军机尾翼已经全部采用复合材料。采用复合材料的平尾、垂尾一般占飞机全部结构重量的5%-7%。
（五）航空发动机
复合材料的用量和占比也成为衡量航空发动机先进程度的一个度量。根据冷热端工作温度的不同，航空发动机相应采用了多种不同基体的复合材料进行应用。
树脂基复合材料优异的比强度和比模量性能对于高推比航空发动机的减重、提高推进效率、降低噪声和排放以及降低成本等都具有重要意义，主要应用在航空发动机的冷端部件上，工作温度在150-200℃以下，例如涡扇发动机压气机叶片、导向叶片及其框架组件、涡扇发动机鼻锥及整流装置等。