航空级树脂基复合材料的低成本制造技术
航空级树脂基复合材料的低成本制造技术
发表时间：2018-11-21T11:14:26.433Z 来源：《新材料·新装饰》2018年6月上作者：刘杰
[导读] 复合材料液体成型工艺是一种近年来出现的先进复合材料低成本制造技术。本文介绍了树脂传递模塑成型RTM和RTM的衍生工艺
V ARTM、SCRIMP、RFI等几种复合材料液体成型工艺(LCM)的特点,并分析了几种不同LCM工艺的优缺点及应用领域。关键词
（航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150060）
摘要：复合材料液体成型工艺是一种近年来出现的先进复合材料低成本制造技术。本文介绍了树脂传递模塑成型RTM和RTM的衍生工艺
V ARTM、SCRIMP、RFI等几种复合材料液体成型工艺(LCM)的特点,并分析了几种不同LCM工艺的优缺点及应用领域。
关键词：复合材料；液态成型工艺；RTM；RTM衍生工艺
1 树脂传递模塑(RTM)成型工艺
树脂传递模塑成型简称RTM(Resin Transfer Molding),是一种闭模成型技术,可以生产出两面光的制品。它的基本原理是先在模腔内预先铺放增强材料预成型体、芯材和预埋件,然后在压力或真空作用下将树脂注入闭合模腔,浸润纤维,经固化、脱模、后加工而成制品的工艺。RTM在航空航天和军事领域的应用主要体现大型结构部件的整体成型方面,国外RTM成型技术在航空航天领域的应用主要有雷达罩、螺旋桨、隔舱门、直升机的方向舵、整体机舱、飞机的机翼等。
RTM技术是一种非常具有竞争力的复合材料成型技术,可以作为预浸料/热压罐技术的补充或替代技术。热压罐成型的最大缺点是其体积大,结构复杂,且是压力容器。因此建设投资费用高。同时对于较大体积的热压罐。其升温和加压的速度比较慢。场内温度控制不均匀。与预浸料模压工艺相比,RTM工艺无须制备、运输、贮藏冷冻的预浸料,无须繁杂的手工铺层和真空袋压过程,也无须热处理时间,操作简单,技术开发和应用灵活。
RTM技术存在的难点是由于在成型阶段树脂和纤维通过浸渍过程实现赋形,纤维在模腔中的流动、纤维浸渍过程以及树脂的固化过程都对最终产品的性能有很大的影响,因而导致了工艺的复杂性和不可控性增大。主要问题有:①树脂对纤维的浸渍不够理想,制品里存在空隙率较高、干纤维的现象;②制品的纤维含量较低;③大面积、结构复杂的模具型腔内,模塑过程中树脂的流动不均衡,不能进行预测和控制。
2 RTIM的衍生工艺
2.1V ARTM(真空辅助RTM)工艺
真空辅助树脂传递模塑(V ARTM)是在RTM的基础上开发得到的。V ARTM是在真空状态下排除纤维增强体中的气体,通过树脂的流动、渗透,实现对纤维及其织物的浸渍,并在室温下进行固化,形成一定树脂与纤维比例的工艺方法。
V ARTM是一种吸出空气的闭模工艺,与常规的RTM工艺相比:①RTM工艺在树脂注入时,模具型腔内可积起几吨压力,通过抽真空V ARTM 工艺可减少这种压力,因而增加了使用更轻模具的可能性;②真空的使用也可提高玻璃纤维对树脂的比率,使制品纤维含量更高;③真空还有助于树脂对纤维的浸渍,使纤维浸渍更充分;④真空还起到排除纤维束内空气的作用,使纤维的浸润更充分,从而减少了微观空隙的形成,得到空隙率更低的制品;⑤V ARTM工艺生产的构件机械性能更好。
V ARTM工艺制造的复合材料制件具有成本低、空隙含量小、成型过程中产生的挥发气体少、产品的性能好等优点,并且工艺具有很大的灵活性。
2.2Light-RTM成型工艺
Light-RTM通常称为轻质RTM,该工艺是在真空辅助RTM工艺的基础上发展而来的,适用于制造大面积的薄壁产品。Light-RTM典型特征是下模为刚性的模具,而上模采用轻质、半刚性的模具,通常厚度为6mm~8mm。工艺过程使用双重密封结构,外圈真空用来锁紧模具,内圈真空导入树脂。注射口通常为带有流道的线性注射方式,有利于快速充模。由于上模采用了半刚性的模具,模具成本大大降低,同时在制造大面积的薄壁产品时,模具锁紧力由大气压提供,保证了模具的加压均匀性,模制产品的壁厚均匀性非常好。
2．3树脂浸渍模塑成型工艺(SCRIMP)
SCRIMP是一种新型的真空辅助注射技术(V ARTM),是1990年美国Seemann Composites(西曼复合材料公司)在美国获得专利权的真空树脂注入技术。SCRIMP工艺的基本原理是在真空状态下排除纤维增强体中的气体,通过树脂的流动、渗
透,实现对纤维的浸渍。在模具型面上铺放增强材料和各种辅助材料,用真空袋将型腔边缘密封严密,在型腔内抽真空,再将树脂通过精心设计的树脂分配系统在真空作用下注入模腔内,最后固化成型。
SCRIMP工艺的树脂分配系统改善了浸渍效果,减少了缺陷发生,使模塑部件具有很好的一致性和重复性,同时也克服了V ARTM在生产大型平面、曲面的层合结构以及加筋异型构件等制品时,纤维浸渍速度慢、成形周期长等不足。与传统的RTM工艺相比,SCRIMP工艺只需一半模具和一个弹性真空袋,这样可以省去一半的模具成本,成型设备简单。由于真空袋的作用,在纤维周围形成真空,可提高树脂的浸湿速度和浸透程度。同时它只需在大气压下浸渍,固化;真空压力与大气压之差为树脂注入提供动力,从而缩短成型时间。SCRIMP工艺适用于中、大型复合材料构件,施工安全、成本较低。SCRIMP工艺制造的部件性能与航空航天领域广泛采用的热压罐工艺相媲美。随着SCRIMP技术从军事应用向民用工业的转移,在建筑、汽车行业将有很大的拓展空间,如大尺寸的屋面、建筑平台等公用工程构件。
2．4树脂膜渗透成型工艺(RFI)
RFI工艺是在RTM的基础上发展起来的树脂膜渗透成型工艺。它是一种树脂融渗和纤维预成型坯相结合的技术。RFI采用单模和真空袋来驱动浸渍过程,工艺过程是:将预制好的树脂膜铺放在模具上,再铺放纤维预成型体并用真空袋封闭模具;将模具置于烘箱或热压下加热并抽真空,达到一定温度后,树脂膜熔融成为黏度很低的液体,在真空或外加压力的作用下树脂沿厚度方向逐步浸润预成型体,完成树脂的转移;继续升温使树脂固化,最终获得复合材料制品。
RFI工艺加热时树脂流动是厚度方向的流动,大大缩短了流程,使纤维更容易被树脂浸润。相对于RTM工艺,RFI工艺能制造出纤维含量高、孔隙率极低、力学性能优异、制品重现性好、壁厚可随意调节的大型复合材料制件和复杂形状的制件,并可根据性能要求进行结构设计。RFI工艺采用真空袋压成型方法,免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具加工无需制备预浸料,挥发物少,成型压力低,生产周
复合材料在飞机上的应用
新视点 NEW VIEWPOINT 64航空制造技术２００６年第３期 目前，复合材料在飞机上的应用已非常广泛，但在２０世纪９０年代初复合材料市场曾一度陷入低靡，究其原因是由于复合材料设计制造的复杂性造成了成本壁垒，人们开始认识到只有重视性能和成本的平衡，才能使复合材料展现辉煌。随着复合材料先进技术的成熟，使其性能最优和低成本成为可能，大大推动了复合材料在飞机上的广泛应用。本文在介绍国外复合材料在飞机上广泛应用的基础 上，对作为技术保障的数字化设计技术和先进制造技术进行了分析研究。从国外情况看，各种先进的飞机都与复合材料的应用密不可分，复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。下面介绍复合材料在飞机上应用的发展趋势。 （１） 复合材料在飞机上的用量日益增多。 复合材料在飞机上 的应用评述 北京航空航天大学机械工程及自动化学院 张丽华 范玉青 复合材料用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比表示，纵观复合材料在民机上的发展情况发现，无论是波音公司还是空中客车公司，随着时间推移，复合材料的用量都呈增长趋势。最具代表意义的是空客公司的Ａ３８０客机和波音公司最新推出的７８７客机。在Ａ３８０上仅碳纤维复合材料的用量就达３２ｔ左右，占结构总重的１５％，再加上其他种类的复合材料，估计其总用量可达２５％左右。７８７ 上初步估计复合材料用量可达５０％，远远超过了Ａ３８０。另外，复合材料 在军机和直升机上的用量也有同样的 增长趋势。（２） 应用部位由次承力结构向主承力结构过渡。 飞机上最初采用复合材料的部位有舱门、整流罩、安定面等次承力结 构，目前已广泛应用于机翼、机身等部位，向主承力结构过渡。从１９８２年开始用复合材料制造飞行操纵面（如Ａ３１０－２００飞机的升降舵和方向舵），空客公司在主承力结构上使用复合材 料已有２０多年的经验。在Ａ３８０上采用的碳纤维复合材料大型构件主要有中央翼盒、翼肋、机身上蒙皮壁板、机身后段、机身尾段、地板梁、后承压框、垂尾等，大量的主承力结构都采用了复合材料。７８７复合材料的应用则更让世人瞩目，其机身和机翼部位采用碳纤维增强层合板结构代替铝合金；发动机短舱、水平尾翼和垂直尾翼、舵面、翼尖等部位采用碳纤维增强夹芯板结构；机身与机翼衔接处的整流蒙皮采用玻璃纤维增强复合材料。与Ａ３８０相比其用量更大，主承载部位的应用更加广泛，这将是世界上采用复合材料最多的大型商用喷气客机。 （３） 复合材料在复杂曲面构件上的应用越来越多。 飞机上复杂曲面零件很多，复合材料的应用也越来越多，比如Ａ３８０机身１９段、１９．１段和球面后压力隔框等均为采用复合材料的具有复杂曲 复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一；复合材料构件的整体成型、共固化技术不断进展，复杂曲面构件不断扩大应用；复合材料的数字化设计，设计、制造一体化，以及基于三维模型铺层展开的专用设计／制造软件等技术的开发是先进复合材料发展的基本技术保障 复合材料在飞机上的应用
航空航天复合材料技术发展现状
航空航天复合材料技术发展现状 2008-11-25 中国复合材料在线［收藏该文章］ 材料的水平决定着一个领域乃至一个国家的科技发展的整体水平；航空、航天、空天三大领域都 对材料提出了极高的要求；材料科技制约着宇航事业的发展。 固体火箭发动机以其结构简单，机动、可靠、易于维护等一系列优点，广泛应用于武器系统及航 天领域。而先进复合材料的应用情况是衡量固体火箭发动机总体水平的重要指标之 一。在固体发动机研制及生产中尽量使用高性能复合材料已成为世界各国的重要发展目标， 目前已拓展到液体动力领域。科技发达国家在新材料研制中坚持需求牵引和技术创新相结合，做到了需求牵引带动材料技术发展，同时材料技术创新又推动了发动机水平提高的良性发展。 目前，航天动力领域先进复合材料技术总的发展方向是高性能、多功能、高可靠及低成本。 作为我国固体动力技术领域专业材料研究所，四十三所在固体火箭发动机各类结构、功能复合材料研究及成型技术方面具有雄厚的技术实力和研究水平，突破了我国固体火箭发动 机用复合材料壳体和喷管等部件研制生产中大量的应用基础技术和工艺技术难关，为我国的 固体火箭发动机事业作出了重要的贡献，同时牵引我国相关复合材料与工程专业总体水平的 提高。建所以来，先后承担并完成了通讯卫星东方红二号远地点发动机，气象卫星风云二号 远地点发动机，多种战略、战术导弹复合材料部件的研制及生产任务。目前，四十三所正在 研制多种航天动力先进复合材料部件，研制和生产了载人航天工程的逃逸系统发动机部件。 二、国内外技术发展现状分析 1、国外技术发展现状分析 1.1结构复合材料 国外发动机壳体材料采用先进的复合材料，主要方向是采用炭纤维缠绕壳体，使发动机质量比有较大提高。如美国“侏儒”小型地地洲际弹道导弹三级发动机（SICBM-1 、-2、- 3 ）燃烧室壳体由IM-7炭纤维/HBRF-55A 环氧树脂缠绕制作，IM-7炭纤维拉伸强度为 5 300MPa , HBRF-55A 环氧树脂拉伸强度为84.6MPa，壳体容器特性系数（PV/Wc ）＞3 9KM ;美国的潜射导弹“三叉戟II （D5 ）”第一级采用炭纤维壳体，质量比达0.944，壳 体特性系数43KM，其性能较凯芙拉/环氧提高30% 国外炭纤维的开发自八十年代以来，品种、性能有了较大幅度改观，主要体现在以下两个方 面：①性能不断提高，七、八十年代主要以3000MPa的炭纤维为主，九十年代初普遍使用 的IM7、IM8纤维强度达到5300MPa,九十年代末T1000纤维强度达到7000MPa,并已开始工程应用；②品种不断增多，以东丽公司为例，1983年产的炭纤维品种只有4种，至U 1995 年炭纤维品种达21种之多。不同种类、不同性能的炭纤维满足了不同的需要，为炭纤维复合材料的广泛应用提供了坚实的基础。 芳纶纤维是芳族有机纤维的总称，典型的有美国的Kevlar、俄罗斯的APMOC,均已在多 个型号上得到应用，如前苏联的SS24、SS25洲际导弹。俄罗斯的APMOC纤维生产及其应 用技术相当成熟，APMOC纤维强度比Kevlar高38%、模量高20%，纤维强度转化率已达到75%以上。PBO纤维是美国空军1970年开始作为飞机结构材料而着手研究的产品，具有刚
飞机用复合材料的低成本制造设备及工艺
FORUM 论坛 航空制造技术年第期 飞机用复合材料的低成本制造 设备及工艺 中国航空工业发展研究中心 陈亚莉 本文分析了复合材料低成本制造工艺及设备。指出在 降低复合材料成本方面，制造技术有着广泛机遇，其关键是自动化设备。在低成本工艺方面，非热压罐技术潜力巨大，代表着未来的发展方向。 Low -Cost M anuf act ur i ng Equi pm ent and Pr ocess of Com posi t es f or A i r cr af t 波音787已开始交付用户，A 350的格局已定，A320和波音737将重新换发，F-35正进入20年生产初期。飞机将成为下一个10年制造的主角，且将不再是以金属为主要结构的装备。材料系统的选择以及结构设计业已确定，金属及复合材料之间的平衡也已肯定下来。在这种情况下，制造技术将进一步提高生产效率和降仍有待改进。例如花大量时间来置 入紧固件，由于紧固件类别不同，需要一方面看图纸，在蒙皮上做标记，然后再将紧固件置入蒙皮。 飞机复合材料结构正在开发一系列缩短周期、降低成本的先进技术。例如，从三维设计数据库中自动取出零件的几何尺寸数据是飞机制造商的优先项目。当飞机产量大或要求制造精度高时，需要自动化设备进入生产车间进行铺层、切削加工、钻孔及在生产线上进行检验。 铺层自动化 对于复合材料制造来说，自动化是关键。碳纤维可提供所需的性能改进，但产量必须提高，成本才能降低。波音787、A 350以及F -35投产时就必须提高生产率。随着从手工铺层到自动化铺层，碳纤维在模具上的铺层就成了关键性的推手。 低成本，即使材料及结构方面大的决策已定，在制造方面仍有充分的改进空间。 由于空客及波音已将下一代窄体飞机推迟到2020年以后，复合材料与金属材料之争已冷却下来，即使 这样，先进材料及制造技术的发展仍 有机遇，只是不同飞机的机遇不同罢了。 例如，对于A 320neo 和波音737MAX 这样的飞机，要改变材料的 机遇有限，而结构及技术仍将采用标准形式。但对于A 350-1000以及787-10仍有更多的机遇采用新的制造技术。目前仍处在设计中的波音777X 有可能做更多的变化，例如，采用碳纤维复合材料机翼。这些飞机 在结构及材料决定之后，仍有大量降低及减重以及工艺改进工作。又如，F-35仍在开发中，重点放在制造改进上， 大量的手工劳动以及质量问题 陈亚莉中国航空工业发展研究中心研究员。长期从事航空材料情报研究工作， 曾获先进国防科技情报工作者等称 号。 44 201219
复合材料在飞机上的应用
复合材料在飞机航空中的应用与发展 学校：西安航空职业技术学院 专业：金属材料与热处理技术 姓名：郭远 摘要 复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一；复合材料构件的整体成型、共固化技术不断进展，复杂曲面构件不断扩大应用；复合材料的数字化设计，设计、制造一体化，以及基于三维模型铺层展开的专用设计／制造软件等技术的开发是先进复合材料发展的基本技术保障. 复合材料在飞机航空中的应用与发展 复合材料大量用于航空航天工业和汽车工业，特别是先进碳纤维复合材料用于飞机尤为值得注意。不久前，碳纤维复合材料只能在军用飞机用作主结构，但是，由于技术发展的进步，先进复合材料已开始在民航客机止也应用作主结构，如机身、机翼等。 一．飞机结构用复合材料的优势 现今新一代飞机的发展目标是“轻质化、长寿命、高可靠、高效能、高隐身、低成本”。而复合材料正具备了上面的几个条件，成为实现新一代飞机发展目标的重要途径。
复合材料具有质轻、高强、可设计、抗疲劳、易于实现结构/功能一体化等优点，因此，继铝、钛、钢之后迅速发展成为四大飞机结构材料之一。 复合材料在飞机结构上的应用首先带来的是显着的减重效益，复合材料尤其是碳纤维复合材料其密度仅为cm3左右，如等量代替铝合金，理论上可有42%的减重效果。 近年来随着复合材料技术的深入研究和应用实践的积累，人们清楚地认识到：复合材料在飞机结构上应用效益绝不仅仅是减重，而且给设计带来创新舞台，通过合理设计，还可提供诸如抗疲劳、抗振、耐腐蚀、耐久性和吸透波等其它传统材料无法实现的优异功能特性，可极大地提高其使用效能，降低维护成本，增加未来发展的潜力和空间。尤其与铝合金等传统材料相比，可明显减少使用维护要求，降低寿命周期成本，特别是当飞机进入老龄化阶段后效果更明显，据说B787较之B767机体维修成本会降低30％，这在很大程度上应归功于复合材料的大量应用。同时，大部分复合材料飞机构件可以整体成型，大幅度减少零件数目，减少紧固件数目，减轻结构质量，降低连接和装配成本，从而有效地降低了总成本，如F/A-18E/F零件数减少42%，减重158kg。复合材料整体成型技术还可消除缝隙、台阶和紧固件，无疑对提高军机的隐身性能也具有非常重要的贡献。 二．飞机结构用复合材料的发展过程 先进复合材料于上世纪60年代中期一问世，即首先用于飞行器结构上。30多年来先进复合材料在飞机结构上应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能、由军机应用扩展到民机应用的发展道路。 1.复合材料在军用飞机上的发展过程
航空航天领域先进复合材料制造技术进展
专题研究 Feature 72 纺织导报 China Textile Leader · 2018 产业用纺织品专刊 参考文献 [1] 李俊宁，胡子君，孙陈诚，等. 高超声速飞行器隔热材料技术 研究进展[J]. 宇航材料工艺，2011，41（6）：10－13. [2] GRITSEVICH I V, DOMBROVSKII L A, NENAROKOMOV A V. Heat transfer by radiation in vacuum shield insulation of spacecrafts [J]. Thermal Processes in Engineering, 2013, 5（1）: 12－21. [3] 沈学霖，朱光明，杨鹏飞. 航空航天用隔热材料的研究进展[J]. 高分子材料科学与工程，2016，32（10）：164－169. [4] KIM J, LEE J H, SONG T H. Vacuum insulation properties of phe-nolic foam[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55（19－20）: 5343－5349. [5] BHEEKHUN N, ABU TALIB A R, HASSAN M R. Aerogels in aerospace: An overview[J]. Advances in Materials Science and En-gineering, 2013, 406065. [6] WANG X, DING B, SUN G, et al. Electro-spinning/netting: A stra-tegy for the fabrication of three-dimensional polymer nano-fiber/nets[J]. Progress in Materials Science, 2013, 58（8）: 1173－1243.[7] SI Y, YU J, TANG X, et al. Ultralight nanofibre-assembled cellular aerogels with superelasticity and multifunctionality[J]. Nature Com-munications, 2014, 5: 5802. [8] GBEWONYO S, CARPENTER A W, GAUSE C B, et al. Low th-ermal conductivity carbon fibrous composite nanomaterial enab-led by multi-scale porous structure[J]. Materials & Design, 2017, 134: 218－225. [9] ZHENG H, SHAN H, BAI Y, et al. Assembly of silica aerogels wi-thin silica nanofibers: Towards a super-insulating flexible hybrid aerogel membrane[J]. RSC Advances, 2015, 5（111）: 91813－91820. [10] SHAN H, WANG X, SHI F, et al. Hierarchical porous structured SiO 2/SnO 2 nanofibrous membrane with superb flexibility for mole-cular filtration[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2017, 9（22）: 18966－18976. [11] KOBAYASHI Y, SAITO T, ISOGAI A. Aerogels with 3D ordered nanofiber skeletons of liquid-crystalline nanocellulose derivatives as tough and transparent insulators[J]. Angew Chem-Int Edit, 2014, 53（39）: 10394－10397. [12] SI Y, WANG X, DOU L, et al. Ultralight and fire-resistant ceramic nanofibrous aerogels with temperature-invariant superelasticity[J]. Science Advances, 2018, 4（4）: eaas8925. 机梯度隔热、舱室隔热保暖等领域。 纳米纤维材料虽然具有良好的隔热性能和弹性，但其拉伸、剪切性能仍需大幅提升以满足实际应用需求。同时，现有纳米纤维气凝胶的孔径较大，导致其热对流效应明显，特别是在高温环境下，因此需在保证其力学性能未大幅下降的前提下进一步减小纳米纤维气凝胶的孔径，提升材料的隔热性能，最终实现其在航空航天热防护领域的特效应用。 图 1 民用飞机结构复合材料用量的变化 1970年 1980年 1990年 2000年 2010年 空客A350：52% 波音787：50%空客A380：25%空客A340：13%波音777：11%波音757：4%波音767：4% 复合材料用量/% 尾翼应用复合材料 外翼、机身应用复合材料 A350 A380 A340中央翼应用复合材料 次承力结构应用复合材料 50403020100 波音787 波音777 波音757/767 复合材料自20世纪60年代问世以来迅速发展，由于具有高比刚度、高比强度、性能可设计、抗疲劳性和耐腐蚀性等优点，越来越广泛地应用于各类航空航天飞行器，大大地促进了飞行器的轻量化、高性能化、结构功能一体化。同时，复合材料的应用部位已由飞机的非承力部件及次承力部件发展到主承力部件，并向大型化、整体化方向发展，先进复合材料的用量成为航空器先进性的重要标志。本文重点阐述航空航天领域最为广泛应用的碳纤维增强树脂基先进复合材料的应用概况、制造技术及未来发展方向。 1 先进复合材料在航空航天领域的应用概况 先进复合材料在航空航天领域的应用始于军用飞 机，是为满足其对高机动性、超音速巡航及隐身等要求而不惜成本开始采用的。近年来由于结构轻量化的要求，民用飞机在复合材料用量方面也呈现增长的趋势。图 1 为商用飞机中复合材料用量占结构重量比例的增加趋势。以1990年研制的波音777为例，在其机体结构中，复合材料仅占11%，而且主要用于飞机辅件，如尾翼和操纵面等。到了2009年波音787首飞时，复合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的50%（图 2），而空客A350的复合材料用量更是达到了52%（图 3），不仅复合材料占比激增，而且复合材料大量应用于 碳纤维复合材料层压板碳纤维夹芯复合材料玻璃纤维复合材料铝 铝/钢/钛复合材料 其他5% 钢10% 钛15%铝20% 复合材料50% 图 2 波音787的复合材料用量
航空航天先进复合材料
航空航天先进复合材料现状 2014-08-10 Lb23742 摘要:回顾了树脂基复合材料的发展史;综述了先进复合材料工业上通常使用环氧树脂的品种、性能和特性;复合材料使用的增强纤维;国防、军工及航空航天用树脂基复合材料;用于固体发动机壳体的树脂基体;用于固体发动机喷管的耐热树脂基体;火箭发动机壳体用韧性环氧树脂基体;树脂基结构复合材料;防弹结构复合材料;先进战斗机用复合材料;树脂基体;航天器用外热防护涂层材料;飞机结构受力构件用的高性能环氧树脂复合材料;碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天中的其它应用;民用大飞机复合材料;国产大飞机的软肋还是技术问题;复合材料之惑。 关键词:树脂基体;复合材料;国防;军工;航空航天;结构复合材料 0 前言 复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。今天，一个国家或地区的复合材料工业水平，已成为衡量其科技与经济实力的标志之一。先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争优势的源泉。到2020年，只有复合材料才有潜力获得20-25%的性能提升。 环氧树脂是优良的反应固化型性树脂。在纤维增强复合材料领域中，环氧树脂大显身手。它与高性能纤维:PAN基碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维、S或E玻璃纤维复合，便成为不可替代的重要的基体材料和结构材料，广泛运用在电子电力、航天航空、运动器材、建筑补强、压力管雄、化工防腐等六个领域。本文重点论述航空航天先进树脂基体复合材料的国内外现状及中国的技术软肋问题 1 树脂基复合材料的发展史 树脂基复合材料(Resin Matrix Composite)也称纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastics)，是技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业，在我国不科学地俗称为玻璃钢。 树脂基复合材料于1932年在美国出现，1940年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的雷达罩，其后不久，美国莱特空军发展中心设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的飞机，并于1944年3月在莱特-帕特空军基地试飞成功。1946年纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。1949年研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁，尺寸、形状准确的复合材料模压件。1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升飞机的螺旋桨。60年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间，玻璃纤维-聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。1961年片状模塑料(Sheet Molding Compound, 简称SMC)在法国问世，利用这种技术可制出大幅面表面光洁，尺寸、形状稳定的制品，如汽车、
复合材料在航空中的应用
《飞行器设计与工程专业技术讲座（三）》结课报 告 班级： 学号： 姓名：
日期：2016年10 月09 日
复合材料在航空中的应用 前言 现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料[1]对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。进入21 世纪以来，全球复合材料市场快速增长，亚洲尤其中国市场增长较快。2003～2008 年间中国年均增速为15%，印度为9.5%，而欧洲和北美年均增幅仅为4%。 一．复合材料的简介 复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材 料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石 棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。 复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草或麦秸增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20 世纪40 年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50 年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70 年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金 属基体复合，构成各具特色的复合材料。 二．在航空中常用的复合材料 60 年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×10 厘米（cm），比模量大于4×10cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这 种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料（材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料）、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。 目前航空航天领域应用较广的复合材料航空主要包括树脂基复合材料、金属基复合材料、碳基复合材料和陶瓷基复合材料。 1．树脂基复合材料树脂基复合材料有玻璃／酚醛、高硅氧／酚醛、石英／酚醛、碳／酚醛、涤纶／酚醛材料和以不同树脂为基体的低密度烧蚀材料。其中玻璃／酚醛、高硅氧／酚醛和石英／酚醛材料属于碳化--熔化型烧蚀村料，适用于中等焓值和中等热流密度的工作环境再入飞行器和中等推力的固体火箭发动机防热材料；碳／酚醛材料属于碳化--升华型烧蚀材料，适用于能发 挥升华效应的较高焓值和较高热流密度的工作环境，可用于更远距离再入飞行器和高性能固体火箭发动机喷管等；涤纶／酚醛材料和低密度烧蚀材料适用于高焓、低热流和较长时间再入的航天飞行器如返回式卫星和飞船等。树脂基介电--防热材料有高硅氧／聚四氟乙烯材料， 它属于升华--熔化型烧蚀材料，烧蚀过程中不生成碳，具有良好的透波性能，烧蚀性能与高硅氧／酚醛相匹配，用作航天器天线窗口材料。 先进树脂基复合材料是以高性能纤维为增强体、高性能树脂为基体的复合材料。与传统 的钢、铝合金结构材料相比,它的密度约为钢的1/5,铝合金的1/2,且比强度与比模量远高于 后
先进树脂基复合材料制造技术综述
先进树脂基复合材料制造技术综述单位：西北工业大学机电学院作者：阎龙史耀耀段继豪 树脂基复合材料以其比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体成型的独特优点在飞机上得到了大量应用，可实现飞机结构相应减重25%~30%[1-2]。此外，通过复合材料结构/ 材料/ 工艺综合研究和材料/ 工艺/ 设计/ 电子/ 气动等学科交叉，深层次开发复合材料结构与功能可设计性潜力，可进一步提高飞机的综合性能。早在20世纪80 年代，人们就预测到2000 年飞机的绝大部分结构将采用复合材料，甚至出现全复合材料飞机。然而，到目前为止，这一预言尚未实现，其主要原因是复合材料构件的成本还远远高于铝合金构件，高成本阻碍了复合材料技术在航空航天等领域的更广泛应用[1]。因此，在已有主要材料体系基础上开发先进的低成本制造技术成为当今复合材料界的共识。目前可降低复合材料制造成本的主要技术途径有：复合材料低温固化技术、复合材料RTM 成型技术、自动缠绕与铺放技术、复合材料电子束固化技术、复合材料结构修理技术[1]。 复合材料低温固化技术 复合材料低温固化技术通常指固化温度小于100℃，可以在自由状态下进行高温后处理的复合材料相关制造技术[1]。发展复合材料构件的低温固化技术，可以大大降低由昂贵模具、高能耗设备以及高性能工艺辅料等带来的高费用。此外，低温固化复合材料构件的尺寸精度高，固化残余应力低，适于制备大型和形状复杂的复合材料构件，也可用于复合材料工装材料以及复合材料结构件的修补等。复合材料低温固化技术是低成本制造技术的重要组成部分。 复合材料低温固化技术的研究始于20 世纪70 年代，ACG 公司于1975 首先发展了第一个低温固化树脂体系LTM10。到20 世纪80 年代中期，低温固化复合材料开始应用于工装领域。20 世纪90 年代早期，低温固化复合材料首次用于航空结构件，如1985 年洛克希德·马丁公司采用LTM45 低温固化体系制备了UAV构件；1986 年NASA 和McDonel-Douglas 公司使用LTM10 体系/ 真空袋成型技术制造了X36 无人战斗机和UAV 的外蒙皮。国内关于低温固化复合材料研究的起步较晚，北京航空材料研究所成功研制出70℃固化，80~100℃使用的LT-01 碳纤维增强复合材料树脂体系，并用于制造大型运输机复合材料腹鳍。表1 所示为碳纤维增强LT-01 复合材料体系力学性能[1]。
先进复合材料在航空航天领域的应用
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/8c2759216.html, 先进复合材料在航空航天领域的应用 作者：周庆庆 来源：《科技风》2017年第17期 摘要：复合材料是在随着科技发展所衍生出的一种新型材料，尤其是先进复合材料目前 已经被广泛应用到了航空航天领域，并发挥着至关重要的作用价值。本文简要介绍了先进复合材料的特性，而后重点就先进复合材料在航空发动机、无人机等航空领域，以及导弹结构、运载火箭结构、卫星和宇航器结构等航天领域中的具体应用展开了深入的探究工作。 关键词：先进复合材料；航空航天；应用 伴随着当前科技水平的不断提高，尤其是航空航天领域的快速发展，材料的应用环境愈发恶劣，对于材料本身也提出了更为严苛的要求。新型材料的研发是为了更好的满足于高新技术发展的需求，其中复合材料是目前在材料科学领域中的一个主要发展方向，同时也是新材料发展最好的一个分支，随着复合材料的快速发展，其目前已经成为了与高分子材料金属材料、无机非金属材料所并列的四大材料体系之一。 一、复合材料的特性 先进复合材料有着十分明显的优势特性，具体可概括为结构整体化、经济效益最大化、可设计性以及功能多样性，现具体分析如下： （1）结构整体化。先进复合材料能够被加工为整体部件，也就是应用先进复合材料部件来取代金属部件。在一些较为特殊的轮廓及表层比较复杂的部件当中，利用金属制造往往可行性相对较差，而应用先进复合材料往往便可有效满足于实际的工作需求。 （2）经济效益最大化。将先进复合材料应用于航空航天领域内，可实现对产品数量的大幅度精减。因对复杂部件的连接往往无需采取焊接、铆接等方式，因而对于连接部件的需求量也便可以大大减少，进而使得材料的装配成本与时间也能够有效降低，从而实现经济效益的最大化。 （3）可设计性。应用纤维、树脂、复合结构等方式可得到多种性能、形状存在明显差异化的复合材料，选取出适当的材料及铺层次序便可加工出没有膨胀系数的复合材料，同时其尺寸稳定性也要明显优于一般的金属材料。 （4）功能多样性。随着先进复合材料材料的不断发展，其不断融合了许多优异的物理性能、化学性能、生物性能、力学性能等。如先进复合材料所具备的阻燃性能、吸波性能、防热性能、屏蔽性能、半导性能及超导性能，而且各类先进复合材料其本身的构成也不尽相同，在功能方面也会产生出一定的差异性，目前综合性及多功能性现已成为先进复合材料发展的一项主流趋势。
航空复合材料项目立项申请报告 (1)
航空复合材料项目立项申请报告 规划设计/投资方案/产业运营
航空复合材料项目立项申请报告 碳纤复合材料最大的优点是轻质、高强，航空航天高端应用是其主要发展方向，用碳纤复合材料制造飞机的结构件，同铝合金相比，减重效果可达20-40%，体现出巨大的节能效益。 该航空复合材料项目计划总投资10580.16万元，其中：固定资产投资7957.92万元，占项目总投资的75.22%；流动资金2622.24万元，占项目总投资的24.78%。 达产年营业收入22100.00万元，总成本费用17586.14万元，税金及附加196.99万元，利润总额4513.86万元，利税总额5333.45万元，税后净利润3385.39万元，达产年纳税总额1948.05万元；达产年投资利润率42.66%，投资利税率50.41%，投资回报率32.00%，全部投资回收期4.63年，提供就业职位418个。 坚持“三同时”原则，项目承办单位承办的项目，认真贯彻执行国家建设项目有关消防、安全、卫生、劳动保护和环境保护管理规定、规范，积极做到：同时设计、同时施工、同时投入运行，确保各种有害物达标排放，尽量减少环境污染，提高综合利用水平。 ......
航空复合材料项目立项申请报告目录 第一章申报单位及项目概况 一、项目申报单位概况 二、项目概况 第二章发展规划、产业政策和行业准入分析 一、发展规划分析 二、产业政策分析 三、行业准入分析 第三章资源开发及综合利用分析 一、资源开发方案。 二、资源利用方案 三、资源节约措施 第四章节能方案分析 一、用能标准和节能规范。 二、能耗状况和能耗指标分析 三、节能措施和节能效果分析 第五章建设用地、征地拆迁及移民安置分析 一、项目选址及用地方案
先进复合材料在航空航天的应用综述 (1)
第31卷第2 期高科技纤维与应用Vol.31 No.2 2006 年 4 月Hi-Tech Fiber & Application Apr. 2006 先进复合材料在航空航天的应用综述 何东晓 （哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150036） 摘要:讨论了先进复合材料在航天飞机、航空发动机、机用雷达天线罩、航天隔热材料、航天卫星和宇航器、固体火箭发动机壳体、战略导弹等方面的应用情况。结合航空航天应用阐明了先进复合材料未来的发展趋势，重点是提高耐热性，抗冲击韧性和发展低成本制造技术。 关键词:先进复合材料；航空；航天；应用；发展趋势 中图分类号:V258文献标识码:A文章编号:1007-9815（2006）02-0009-03 Review of the Application of Advanced Composite in Aviation and Aerospace HE Dong-xiao (Harbin FRP Institute,Harbin150036China) Abstract: In this paper, the application of advanced composite in space shuttle, aviation engine, radar antenna mask, aviation hot insulation material, space satellite solid rocket engine and strategic missile are discussed. The development trends of advanced composite in aviation and aerospace are introduced, the key point is improving the thermal stability, impact resistance and developing low-cost manufacturing technique. Key words: advanced composite;aviation;aerospace;application;development trends 前言到航空航天等军事领域中，是制造飞机、火箭、 航天飞行器等军事武器的理想材料。 近年来，随着科学技术的不断进步，材料技 术得到飞速发展，其中尤以先进复合材料的发展 1 国内外应用概况 最为突出。 先进复合材料（Advanced Composites ACM） 1.1 在航空飞机上的应用 专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚飞机用ACM经过近40 a的发展，已经从最度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤件，可获得减轻质量20 %～30 %的显著效果。目 维、芳纶等增强的复合材料。ACM在航空航天前已进入成熟应用期，对提高飞机战术技术水平的 等军事上的应用价值特别大。比如，军用飞机和贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑，其设 卫星，要又轻又结实；军用舰船，要又耐高压又计、制造和使用经验已日趋丰富。 耐腐蚀。这些苛刻的要求，只有借助新材料技术迄今为止，战斗机使用的ACM占所用材料 才能解决。ACM具有质量轻，较高的比强度、总量的30 %左右，新一代战斗机将达到40 %； 比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、直升机和小型飞机ACM用量将达到70 %～隔音、减振、耐高（低）温，独特的耐烧蚀性、80 % 左右，甚至出现全 ACM 飞机。“科曼奇”透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、直升机的机身有70 %是由ACM制成的，但仍计制备的灵活性和易加工性等特点，被大量地应用划通过减轻机身前下部质量，以及将ACM扩大
航空级树脂基复合材料的低成本制造技术
航空级树脂基复合材料的低成本制造技术 发表时间：2018-11-21T11:14:26.433Z 来源：《新材料·新装饰》2018年6月上作者：刘杰 [导读] 复合材料液体成型工艺是一种近年来出现的先进复合材料低成本制造技术。本文介绍了树脂传递模塑成型RTM和RTM的衍生工艺 V ARTM、SCRIMP、RFI等几种复合材料液体成型工艺(LCM)的特点,并分析了几种不同LCM工艺的优缺点及应用领域。关键词 （航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150060） 摘要：复合材料液体成型工艺是一种近年来出现的先进复合材料低成本制造技术。本文介绍了树脂传递模塑成型RTM和RTM的衍生工艺 V ARTM、SCRIMP、RFI等几种复合材料液体成型工艺(LCM)的特点,并分析了几种不同LCM工艺的优缺点及应用领域。 关键词：复合材料；液态成型工艺；RTM；RTM衍生工艺 1 树脂传递模塑(RTM)成型工艺 树脂传递模塑成型简称RTM(Resin Transfer Molding),是一种闭模成型技术,可以生产出两面光的制品。它的基本原理是先在模腔内预先铺放增强材料预成型体、芯材和预埋件,然后在压力或真空作用下将树脂注入闭合模腔,浸润纤维,经固化、脱模、后加工而成制品的工艺。RTM在航空航天和军事领域的应用主要体现大型结构部件的整体成型方面,国外RTM成型技术在航空航天领域的应用主要有雷达罩、螺旋桨、隔舱门、直升机的方向舵、整体机舱、飞机的机翼等。 RTM技术是一种非常具有竞争力的复合材料成型技术,可以作为预浸料/热压罐技术的补充或替代技术。热压罐成型的最大缺点是其体积大,结构复杂,且是压力容器。因此建设投资费用高。同时对于较大体积的热压罐。其升温和加压的速度比较慢。场内温度控制不均匀。与预浸料模压工艺相比,RTM工艺无须制备、运输、贮藏冷冻的预浸料,无须繁杂的手工铺层和真空袋压过程,也无须热处理时间,操作简单,技术开发和应用灵活。 RTM技术存在的难点是由于在成型阶段树脂和纤维通过浸渍过程实现赋形,纤维在模腔中的流动、纤维浸渍过程以及树脂的固化过程都对最终产品的性能有很大的影响,因而导致了工艺的复杂性和不可控性增大。主要问题有:①树脂对纤维的浸渍不够理想,制品里存在空隙率较高、干纤维的现象;②制品的纤维含量较低;③大面积、结构复杂的模具型腔内,模塑过程中树脂的流动不均衡,不能进行预测和控制。 2 RTIM的衍生工艺 2.1V ARTM(真空辅助RTM)工艺 真空辅助树脂传递模塑(V ARTM)是在RTM的基础上开发得到的。V ARTM是在真空状态下排除纤维增强体中的气体,通过树脂的流动、渗透,实现对纤维及其织物的浸渍,并在室温下进行固化,形成一定树脂与纤维比例的工艺方法。 V ARTM是一种吸出空气的闭模工艺,与常规的RTM工艺相比:①RTM工艺在树脂注入时,模具型腔内可积起几吨压力,通过抽真空V ARTM 工艺可减少这种压力,因而增加了使用更轻模具的可能性;②真空的使用也可提高玻璃纤维对树脂的比率,使制品纤维含量更高;③真空还有助于树脂对纤维的浸渍,使纤维浸渍更充分;④真空还起到排除纤维束内空气的作用,使纤维的浸润更充分,从而减少了微观空隙的形成,得到空隙率更低的制品;⑤V ARTM工艺生产的构件机械性能更好。 V ARTM工艺制造的复合材料制件具有成本低、空隙含量小、成型过程中产生的挥发气体少、产品的性能好等优点,并且工艺具有很大的灵活性。 2.2Light-RTM成型工艺 Light-RTM通常称为轻质RTM,该工艺是在真空辅助RTM工艺的基础上发展而来的,适用于制造大面积的薄壁产品。Light-RTM典型特征是下模为刚性的模具,而上模采用轻质、半刚性的模具,通常厚度为6mm~8mm。工艺过程使用双重密封结构,外圈真空用来锁紧模具,内圈真空导入树脂。注射口通常为带有流道的线性注射方式,有利于快速充模。由于上模采用了半刚性的模具,模具成本大大降低,同时在制造大面积的薄壁产品时,模具锁紧力由大气压提供,保证了模具的加压均匀性,模制产品的壁厚均匀性非常好。 2．3树脂浸渍模塑成型工艺(SCRIMP) SCRIMP是一种新型的真空辅助注射技术(V ARTM),是1990年美国Seemann Composites(西曼复合材料公司)在美国获得专利权的真空树脂注入技术。SCRIMP工艺的基本原理是在真空状态下排除纤维增强体中的气体,通过树脂的流动、渗 透,实现对纤维的浸渍。在模具型面上铺放增强材料和各种辅助材料,用真空袋将型腔边缘密封严密,在型腔内抽真空,再将树脂通过精心设计的树脂分配系统在真空作用下注入模腔内,最后固化成型。 SCRIMP工艺的树脂分配系统改善了浸渍效果,减少了缺陷发生,使模塑部件具有很好的一致性和重复性,同时也克服了V ARTM在生产大型平面、曲面的层合结构以及加筋异型构件等制品时,纤维浸渍速度慢、成形周期长等不足。与传统的RTM工艺相比,SCRIMP工艺只需一半模具和一个弹性真空袋,这样可以省去一半的模具成本,成型设备简单。由于真空袋的作用,在纤维周围形成真空,可提高树脂的浸湿速度和浸透程度。同时它只需在大气压下浸渍,固化;真空压力与大气压之差为树脂注入提供动力,从而缩短成型时间。SCRIMP工艺适用于中、大型复合材料构件,施工安全、成本较低。SCRIMP工艺制造的部件性能与航空航天领域广泛采用的热压罐工艺相媲美。随着SCRIMP技术从军事应用向民用工业的转移,在建筑、汽车行业将有很大的拓展空间,如大尺寸的屋面、建筑平台等公用工程构件。 2．4树脂膜渗透成型工艺(RFI) RFI工艺是在RTM的基础上发展起来的树脂膜渗透成型工艺。它是一种树脂融渗和纤维预成型坯相结合的技术。RFI采用单模和真空袋来驱动浸渍过程,工艺过程是:将预制好的树脂膜铺放在模具上,再铺放纤维预成型体并用真空袋封闭模具;将模具置于烘箱或热压下加热并抽真空,达到一定温度后,树脂膜熔融成为黏度很低的液体,在真空或外加压力的作用下树脂沿厚度方向逐步浸润预成型体,完成树脂的转移;继续升温使树脂固化,最终获得复合材料制品。 RFI工艺加热时树脂流动是厚度方向的流动,大大缩短了流程,使纤维更容易被树脂浸润。相对于RTM工艺,RFI工艺能制造出纤维含量高、孔隙率极低、力学性能优异、制品重现性好、壁厚可随意调节的大型复合材料制件和复杂形状的制件,并可根据性能要求进行结构设计。RFI工艺采用真空袋压成型方法,免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具加工无需制备预浸料,挥发物少,成型压力低,生产周
航空航天复合材料设计要求比较
航空航天复合材料结构设计要求的比较 复合材料是指由有机高分子、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互相补充并彼此关联与协同,从而获得原组分材料无法比拟的优越性能, 复合化是当代材料技术发展的重要趋势之一，而大量采用高性能复合材料是航空航天飞行器发展的重要方向。航空航天追求性能第一的特点,使其成为先进复合材料技术的率先实验和转化的战场,航空航天工业的发展和需求推动了先进复合材料的发展,而先进复合材料的发展和应用又促进了航空航天的进步。先进复合材料继铝、钢、钛之后,迅速发展成四大结构材料之一,其用量成为航空航天结构的先进性标志之一。将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重20%~30%,这是其他先进技术很难达到的效果。美国NASA的Langley 研究中心在航空航天用先进复合材料发展报告中指出,各种先进技术的应用可以使亚音速运输机获得51%的减重(相对于起飞重量)效益,其中,气动设计与优化技术减重4·6%,复合材料机翼机身和气动剪裁技术减重24·3%,发动机系统和热结构设计减重13.1%,先进导航与飞行控制系统减重9%,说明了先进复合材料的应用减重最明显。这不仅带来相当大的经济效益,而且可以增加装备的机动性,还可以提高其抗疲劳、耐腐蚀性能。 由于航天与航空的使用环境和应用范围存在区别，因而造成复合
材料在航空飞行器与航天飞行器上使用的设计要求也有很多不同之处。而且由于任务目标和使用环境差异，飞机结构的要求不能直接作为空间飞行器的结构设计要求。空间飞行器的飞行环境和承受的载荷很特殊，并且几乎没有可能再去检查和维修航天器的结构或在其任务条件下验证其结构的性能。因此，空间飞行器复合结构设计必须比飞机复合材料结构设计更加稳定可靠。虽然如此，飞机行业的复合材料结构设计方面的经验仍然可以为航天器的复合材料结构设计提供一定的参考和借鉴。 航空和航天复合材料结构设计要求具体在哪些方面存在差异呢？ 第一点是两者的生成规模差别很大。航空产品通常进行大规模生产，不仅整机生产数量多，而且因为需要维修等等，这样更换损坏的零件同样数量巨大；而航天产品则大多生产较少。因此在结构设计时，航空产品对结构设计时需要对加工工艺等配套设施进行细致的考虑，以达到成本、周期。效益的均衡，而航天结构设计则大多不需要考虑。同时生产数量的差异也使后续的设计工作产生了很大不同。 第二点是初始设计要求。飞机工业需要通过测试数量庞大的样本总结设计出一套模块建立的方法。但航天器的生产数量很有限，因此用于航空专业的样本采集到模块建立的方法，要想应用于航天器，从成本和进度的角度来看，是不切实际的。 第三点是强度要求。在航空和航天器中，对于强度的要求二者是一致的，但因工作环境不同存在一定的区别。航空和航天器复合材料