黃億洲，王志瑾，劉格菲

(⒈南京航空航天大學(xué) a.能源與動(dòng)力學(xué)院; b.航空學(xué)院，南京 210001；2.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州 310012)

0 引言

航空航天器一直以來被譽(yù)為工業(yè)皇冠，各類航空航天器的研制越來越受到各國(guó)的重視。先進(jìn)的航空航天器及其重要結(jié)構(gòu)部件，如飛機(jī)(包括民用和軍用)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭及發(fā)動(dòng)機(jī)等航空航天領(lǐng)域的產(chǎn)品成為了各國(guó)綜合國(guó)力的象征。從人類生產(chǎn)的第一架飛機(jī)“飛行者一號(hào)”開始，各種飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一就是滿足強(qiáng)度、剛度的同時(shí)盡可能減輕重量。隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各類航空航天器的設(shè)計(jì)追求的是高速、輕質(zhì)和高承載能力。已有的研究表明，飛行器每減重1 kg就會(huì)顯著提高經(jīng)濟(jì)效益，且隨著飛行器飛行速度的增加，其所提高的效益顯著增加，如圖1所示[1]。

圖1 飛行器每減重1 kg所取得的經(jīng)濟(jì)效益與飛行速率的關(guān)系

采用先進(jìn)材料是實(shí)現(xiàn)航空航天器減重的有效方法之一。從航空航天領(lǐng)域來看，進(jìn)入本世紀(jì)以來結(jié)構(gòu)材料進(jìn)入以復(fù)合材料為主的發(fā)展階段。新型先進(jìn)復(fù)合材料的出現(xiàn)在很大程度上推進(jìn)了航空航天器結(jié)構(gòu)減重的發(fā)展，與此同時(shí)，復(fù)合材料的用量也逐漸成為評(píng)判航空航天器設(shè)計(jì)先進(jìn)程度的一個(gè)指標(biāo)。近年來，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用范圍越來越廣，本文以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為分析對(duì)象，總結(jié)其在航空航天器上的應(yīng)用，并對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天器上應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特點(diǎn)

復(fù)合材料是由界面分明、物理化學(xué)性能不同的材料構(gòu)成的性能優(yōu)異的多相材料[2]。目前，航空航天領(lǐng)域使用的主要是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中常用的纖維有碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維和硼纖維。其中，碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)過熱處理轉(zhuǎn)化而成的含碳量高于90%的無機(jī)高性能纖維，既具有碳材料的固有特性，又具有紡織纖維的柔軟可加工性。與碳纖維相比，玻璃纖維質(zhì)量較大，芳綸纖維拉伸彈性模量較低，而硼纖維價(jià)格較高，因此，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛。此外，碳纖維還具有產(chǎn)品大絲束化的特點(diǎn)，可以提高復(fù)合材料生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面：與結(jié)構(gòu)有關(guān)的特點(diǎn)和性能特點(diǎn)。

1.1 與結(jié)構(gòu)有關(guān)的特點(diǎn)

如前所述，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由基體材料和碳纖維增強(qiáng)體構(gòu)成，碳纖維增強(qiáng)體與基體材料之間有明顯的相界，由此決定了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有非均質(zhì)性的特點(diǎn)。由于纖維增強(qiáng)體主要承受軸向載荷，而對(duì)于其他類型的載荷承載能力較弱，因此，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料還具有明顯的各向異性。此外，還可以對(duì)單層材料的纖維方向、數(shù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以對(duì)多層復(fù)合材料的層數(shù)、鋪層順序進(jìn)行設(shè)計(jì)以提高結(jié)構(gòu)效率，減輕重量。可見，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性。

1.2 性能特點(diǎn)

在同樣的強(qiáng)度和剛度條件下，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的質(zhì)量明顯小于金屬結(jié)構(gòu)材料，這說明碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料相比較而言具有高比強(qiáng)度和高比模量。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)構(gòu)件載荷對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)設(shè)計(jì)，以達(dá)到結(jié)構(gòu)減重的目的。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和金屬材料疲勞破壞機(jī)理不同之處在于復(fù)合材料一般沒有主裂紋，而其大量微裂紋的形成和擴(kuò)展會(huì)消耗大量能量，由此決定了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗疲勞性能優(yōu)于金屬材料。由于碳纖維復(fù)合材料的比模量高，其固有頻率也比金屬材料的高，因而可以避免結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振，且碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是多相材料，阻尼系數(shù)大，振動(dòng)衰減快，表明碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有良好的抗振動(dòng)性能。此外，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐濕性能[3]。與航空航天常用的鋁合金材料相比較而言，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料還具有良好的耐腐蝕性能。

2 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是航空工業(yè)應(yīng)用比較廣泛的復(fù)合材料之一，由于其密度僅為鋁合金的60%，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大量使用可以使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少20～25%。飛機(jī)上最常用的是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是樹脂基復(fù)合材料(CFRP)。早些時(shí)候，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要應(yīng)用于飛機(jī)的非承力部件上，如飛機(jī)雷達(dá)罩、艙門、整流罩等。后來，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用逐漸過渡到飛機(jī)尾翼的垂直尾翼、水平尾翼及方向舵等一些非主要承力部件上，例如法國(guó)幻影2000戰(zhàn)斗機(jī)尾翼的設(shè)計(jì)采用了復(fù)合材料。隨著復(fù)合材料制備工藝越來越成熟，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平越來越高，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料開始應(yīng)用于飛機(jī)的主要承力部件。圖2所示為近五十年先進(jìn)復(fù)合材料在軍機(jī)及民機(jī)設(shè)計(jì)中的使用情況，由圖2可知，先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)用越來越廣泛[4]。

圖2 先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)設(shè)計(jì)中使用情況

2.1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在民機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

在民用飛機(jī)方面，美國(guó)波音公司和歐洲空中客車公司等世界著名的民用飛機(jī)生產(chǎn)商都在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用上取得了顯著的成果。俄羅斯因受美國(guó)制裁，由美國(guó)和日本提供的先進(jìn)復(fù)合材料受到限制，其MS-21客機(jī)用復(fù)合材料從機(jī)翼開始將逐步由全俄航空材料研究院提供的復(fù)合材料替代。表1所示為有代表性的機(jī)型上所用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其應(yīng)用部位。

表1 部分民用客機(jī)及其使用的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

波音公司生產(chǎn)的B777客機(jī)采用的復(fù)合材料僅占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的9%，而B787客機(jī)中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)材料已占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的50%，可節(jié)省燃油20%。B787客機(jī)采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為：機(jī)身、機(jī)翼和尾翼采用的是碳纖維層合板復(fù)合材料；升降舵和方向舵采用的是碳纖維夾芯復(fù)合材料[5]。B787客機(jī)使用材料的分布圖如圖3所示[6]。此外，美國(guó)著名公務(wù)機(jī)公司設(shè)計(jì)的灣流G650水平尾翼、垂直尾翼、升降舵和方向舵是由CF/PPS熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件焊接而成的[7]。圖4所示為灣流G650公務(wù)機(jī)具有可拆卸前緣和后緣多肋舵，圖中構(gòu)件1～6采用的是熱塑性復(fù)合材料，構(gòu)件7～9采用的是金屬材料[8]。

圖3 B787材料使用分布圖

圖4 灣流G650具有可拆卸前緣和后緣多肋舵

Mrazova等[9]詳細(xì)介紹了歐洲空中客車公司所產(chǎn)飛機(jī)復(fù)合材料的使用情況。A350XWB飛機(jī)的機(jī)身壁板、框架、窗框和艙門均由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成。由于大量使用復(fù)合材料，使得A350XWB飛機(jī)的維修時(shí)間間隔從6年增加到12年，大大降低了客戶的飛機(jī)維護(hù)成本。如前所述，碳纖維復(fù)合材料具有良好的抗疲勞性能和耐腐蝕性能，因此在客機(jī)結(jié)構(gòu)中大量使用復(fù)合材料既降低了對(duì)疲勞相關(guān)檢查的需求，也減少了對(duì)腐蝕相關(guān)維護(hù)檢查的需求。A380客機(jī)是首次使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中央翼盒的飛機(jī)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比較可使結(jié)構(gòu)減重1.5 t，燃油消耗量降低13%[10]。此外，A380客機(jī)的上地板梁和后壓力艙壁也采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其整機(jī)鋁含量?jī)H為61%[11]。A380客機(jī)使用材料的分布圖如圖5所示[12]。

圖5 復(fù)合材料在A380上的應(yīng)用分布

我國(guó)國(guó)產(chǎn)飛機(jī)復(fù)合材料的使用情況與國(guó)外先進(jìn)水平先比較差距還比較明顯。ARJ-21支線客機(jī)全機(jī)復(fù)合材料用量?jī)H為2%；新舟700新型渦槳支線客機(jī)的尾翼、襟翼、副翼、小翼、整流罩、固定后前緣、短倉(cāng)、中機(jī)身等部位使用了先進(jìn)復(fù)合材料，占比為12%[13]；國(guó)產(chǎn)商用C919型干線客機(jī)中CFRP在機(jī)身結(jié)構(gòu)中的占比為12%[14]，同時(shí)C919客機(jī)是我國(guó)首款使用T800高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的民用飛機(jī)：其后機(jī)身和平垂尾等都使用了T800碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。此外，C919客機(jī)的機(jī)翼前后緣、活動(dòng)翼面、翼梢小翼、翼身整流罩等部件也采用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。據(jù)報(bào)道，中俄聯(lián)合研制的CR929大型客機(jī)復(fù)合材料使用比例將超過50%，機(jī)身和機(jī)翼都將采用復(fù)合材料，有望達(dá)到世界先進(jìn)水平[15]。圖6所示為國(guó)內(nèi)外民用客機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用情況隨時(shí)間發(fā)展的變化關(guān)系[16]，由圖6可見，我國(guó)商用客機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用情況還與國(guó)外先進(jìn)水平有較大差距。

圖6 國(guó)內(nèi)外民用客機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用情況

2.2 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在軍機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

從國(guó)外軍機(jī)復(fù)合材料的使用情況來看，上世紀(jì)七十年代中期，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在軍機(jī)尾翼的垂直尾翼、水平尾翼等部件開始逐步使用，如F-15、F-16、Mig-29、幻影2000、F/A-18等軍機(jī)。在此之后，開始在軍機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身等主要受力構(gòu)件上使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，如AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35、陣風(fēng)、JAS-39、臺(tái)風(fēng)、S-37等軍機(jī)。其中，AV-8B的復(fù)合材料使用量約占結(jié)構(gòu)重量的26%，使用范圍包括尾翼、機(jī)翼和前機(jī)身，使整體結(jié)構(gòu)減重9%。而F-35的機(jī)翼整體結(jié)構(gòu)油箱、機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)主承力件大量使用了復(fù)合材料。臺(tái)風(fēng)的鴨翼、機(jī)身、機(jī)翼、腹鰭、方向舵等部位大量采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料使得碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)占比約為50%。A400M的大部分機(jī)翼、幾乎整個(gè)尾翼、后貨艙門、起落架艙門和螺旋槳葉片使用的都是復(fù)合材料，復(fù)合材料占比為30%[17]。軍機(jī)上廣泛使用復(fù)合材料可以減輕重量，從而顯著提高其作戰(zhàn)能力。表2所列為部分軍機(jī)復(fù)合材料使用情況。

表2 部分軍機(jī)復(fù)合材料使用情況

王平[18]對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了分析，其中，先進(jìn)復(fù)合材料在軍機(jī)上的應(yīng)用情況如圖7所示。

圖7 先進(jìn)復(fù)合材料在軍機(jī)上的應(yīng)用

從國(guó)內(nèi)軍機(jī)復(fù)合材料的使用情況來看，我國(guó)第三代殲-10的鴨翼結(jié)構(gòu)，殲-11B的機(jī)翼外翼段、水平尾翼和垂直尾翼及殲-20的機(jī)身、機(jī)翼、垂直尾翼、進(jìn)氣口以及鴨翼上均使用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

2.3 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

由于無人機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中具有特殊優(yōu)勢(shì)，近年來其需求量增長(zhǎng)迅猛。表3中所列為部分中、美無人機(jī)復(fù)合材料的使用情況。

表3 部分中、美無人機(jī)復(fù)合材料的使用情況

表3中所列的美國(guó)先進(jìn)RQ-4全球鷹無人偵察機(jī)的機(jī)翼、尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、后機(jī)身都是由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造的。美國(guó)中空長(zhǎng)航時(shí)MQ-1捕食者無人機(jī)(現(xiàn)已退役)的機(jī)身大量采用了碳纖維織物/Nomex蜂窩夾層加筋壁板結(jié)構(gòu)，內(nèi)部關(guān)鍵位置有碳纖維增強(qiáng)梁和肋。AAI公司影子無人機(jī)的機(jī)身使用的是碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，尾翼使用的是碳纖維或芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，機(jī)翼則是由碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料面板-蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造的[19]。此外，表3中未列出的美國(guó)赫利俄斯太陽(yáng)能無人機(jī)的主要結(jié)構(gòu)由碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料制造的。我國(guó)彩虹4無人機(jī)除主梁外都是由復(fù)合材料制成的，復(fù)合材料用量占無人機(jī)機(jī)身重量的80%。我國(guó)微小型大疆Mavic Pro無人機(jī)的機(jī)體大量采用了碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。表4所示為復(fù)合材料在不同尺寸無人機(jī)的應(yīng)用情況[20]。

表4 復(fù)合材料在無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

2.4 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在直升機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

與傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)相比，直升機(jī)的飛行速度慢、飛行高度較低，并且在濕熱、干旱、沙塵等惡劣環(huán)境條件下工作的情況較多，這對(duì)直升機(jī)結(jié)構(gòu)的耐候性、耐蝕性提出了更高的要求。同時(shí)，直升機(jī)旋翼對(duì)材料抗疲勞性能具有較高的要求。如前所述，復(fù)合材料由于具有優(yōu)良的抗疲勞性能、抗振動(dòng)性能以及耐腐蝕性能，非常適合在直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)用。國(guó)外直升機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用情況如圖8所示[21]。

圖8 國(guó)外直升機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用情況

1974年首飛的美國(guó)CH-53E重型多功能直升機(jī)使用的復(fù)合材料僅約占5%，而它的接替者V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的機(jī)身和尾翼采用的是AS4/3501-6復(fù)合材料，使用量占比為41%，使整體減重13%，零件數(shù)減少35%，成本降低22%。RAH-66直升機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)使用了碳纖維/環(huán)氧(IM7/8552)復(fù)合材料，占比結(jié)構(gòu)重量的51%，其機(jī)體前部組件、尾梁、主槳葉等也大量采用了碳纖維復(fù)合材料。NH-90直升機(jī)的旋翼使用了碳纖維和玻璃纖增強(qiáng)維復(fù)合材料。S-97直升機(jī)的共軸剛性旋翼使用了高模高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。V-280直升機(jī)首次使用了全碳纖維復(fù)合材料傾轉(zhuǎn)旋翼葉片。貝爾公司針對(duì)XV-15傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)鋼制旋翼軸，在其孔內(nèi)安裝碳纖維復(fù)合材料套筒使其重量減輕14%。H-160直升機(jī)是世界上第一款全復(fù)合材料民用直升機(jī)，其槳轂中央件采用碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮樹脂基熱塑性復(fù)合材料設(shè)計(jì)制備，可以降低制造成本、減輕質(zhì)量并提高損傷容限和降低結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展速率[22]。我國(guó)直10和直19武裝直升機(jī)在機(jī)身框架結(jié)構(gòu)、直升機(jī)旋翼、機(jī)翼蒙皮和直升機(jī)尾翼部件上也大量使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[23]。

2.5 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)由于其技術(shù)難度大、研制周期長(zhǎng)而被譽(yù)為工業(yè)皇冠上的明珠。民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)可以總結(jié)為推重比高、油耗低、噪音低和污染物排放少。若想提高推重比和降低油耗，除了提高氣動(dòng)、熱力設(shè)計(jì)水平外，減重也是有效的方法之一，因此碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，如表5所示。

表5 部分民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料使用情況

3 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在導(dǎo)彈領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維大量使用可以減輕導(dǎo)彈的質(zhì)量，增加導(dǎo)彈的射程，提高落點(diǎn)的精度，因此碳纖維復(fù)合材料常應(yīng)用于導(dǎo)彈殼體、發(fā)射筒等結(jié)構(gòu)中。

俄羅斯圓錘潛艇發(fā)射導(dǎo)彈、白楊-M型導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管及大面積防熱層均使用粘膠基碳纖維增強(qiáng)的酚醛復(fù)合材料。美國(guó)的PAC-3發(fā)動(dòng)機(jī)殼體使用IM-7碳纖維、戰(zhàn)斗部殼體使用T300碳纖維。THAAD薩德導(dǎo)彈采用了高強(qiáng)中模碳纖維樹脂基復(fù)合材料作為發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料，并在其攔截器艙體結(jié)構(gòu)中使用了高模高強(qiáng)碳纖維[24]。法國(guó)M51彈道導(dǎo)彈使用由碳纖維復(fù)合材料編織而成的發(fā)動(dòng)機(jī)外殼。我國(guó)陸基洲際導(dǎo)彈東風(fēng)-31彈頭使用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，潛射洲際彈道導(dǎo)彈巨浪-II的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管采用的是碳-碳復(fù)合材料[25]。

3.2 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在運(yùn)載火箭領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在運(yùn)載火箭上的使用可以使其在保證強(qiáng)度、剛度的前提下，降低自身結(jié)構(gòu)重量，從而提高有效載荷。

日本的M-5火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、法國(guó)的阿里安娜2型火箭、歐洲織女星運(yùn)載火箭使用了IM-7碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。俄羅斯Proton-M火箭使用了新型的CFRP點(diǎn)陣圓錐殼適配器。美國(guó)的大力神-4火箭的整流罩、級(jí)間段艙體、錐形尾艙承載結(jié)構(gòu)、級(jí)間段蒙皮和錐形尾艙殼體均采用的是IM7/8552碳纖維復(fù)合材料。日本的H-2A火箭助推器使用T1000碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[26]。據(jù)悉英國(guó)Orbex Prime采用了碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，每枚火箭的重量?jī)H為相同尺寸的火箭70%，并且能在60 s內(nèi)從0加速到1330 km/h。我國(guó)長(zhǎng)征-11運(yùn)載火箭全整流罩采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，不僅降低了裝配的難度，還提高了火箭的運(yùn)載能力。

3.3 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在衛(wèi)星領(lǐng)域的應(yīng)用

高模量碳纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材料常用于人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽(yáng)能電池板和天線中。部分衛(wèi)星碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料使用情況如表6所示。

表6 部分衛(wèi)星碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料使用情況

4 航空航天領(lǐng)域用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)

由上述內(nèi)容可知，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景是非常廣闊的。但是，由于航空航天用先進(jìn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)理念、方法、手段，尤其是其制備方法、配套工藝及設(shè)備都屬于國(guó)家的管控資源，公開的可供參考的文獻(xiàn)資料非常有限。從文獻(xiàn)的獲取的資料及我國(guó)近年來碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的實(shí)踐來看，圍繞著制備技術(shù)對(duì)航空航天領(lǐng)域用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)提出幾點(diǎn)初步看法。

(1)應(yīng)用先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)。飛機(jī)設(shè)計(jì)中傳統(tǒng)的積木式驗(yàn)證方法正在向先進(jìn)的計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)手段轉(zhuǎn)變，這將降低復(fù)合材料飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的周期與成本。另一方面，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的應(yīng)用可以使復(fù)合材料生產(chǎn)自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化，從而提高復(fù)合材料可靠性。

(2)發(fā)展廣義樹脂轉(zhuǎn)移模塑、樹脂模注入成形低成本技術(shù)。樹脂轉(zhuǎn)移模塑、樹脂模注入工藝有下列優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省了成本高的預(yù)浸料工序；可以不使用熱壓罐；設(shè)備投資少；可連續(xù)自動(dòng)化進(jìn)行生產(chǎn)；采用預(yù)制件，結(jié)構(gòu)零件數(shù)減少，工裝模具和裝配工作量減少；工藝輔助材料使用少。樹脂轉(zhuǎn)移模塑、樹脂模注入工藝的發(fā)展可以節(jié)省大量的纖維預(yù)浸、運(yùn)輸以及保存的費(fèi)用，整個(gè)復(fù)合材料生產(chǎn)成本得到大幅降低，使其在航空航天領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用。

(3)發(fā)展三維編織復(fù)合材料技術(shù)。對(duì)于有高尺寸精度要求的航空構(gòu)件，由于其較為復(fù)雜，傳統(tǒng)織物鋪層復(fù)合材料很難制作。而三維編織復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性可以很好地解決這個(gè)問題，如直升機(jī)的柔性梁、槳轂中央件、衛(wèi)星的桁架、飛機(jī)耳片結(jié)構(gòu)等。同時(shí)，三維編織復(fù)合材料克服了層狀復(fù)合材料層間強(qiáng)度低的弱點(diǎn)，具有較高的抗沖擊性能和損傷容限，這為復(fù)合材料在航空航天承力、連接構(gòu)件上的進(jìn)一步應(yīng)用提供了可能。

(4)開展回收利用技術(shù)。航空航天用碳纖維制備成本高昂，而且碳纖維在使用后無法降解，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，因此航空航天復(fù)合材料的回收再利用技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用可以提高碳纖維的回收率和利用率，進(jìn)一步降低碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制造和使用成本。

5 結(jié)語(yǔ)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以其高模量、高強(qiáng)度的特性可以有助于飛行器減重，使其結(jié)構(gòu)效率增加；碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有良好的抗疲勞性、良好的抗振動(dòng)性和良好的耐腐蝕性可以提高結(jié)構(gòu)的可靠性。雖然隨著國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的不斷積累，先進(jìn)復(fù)合材料在我國(guó)航空航天器上應(yīng)用不斷擴(kuò)大，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較而言還有明顯的差距，我們?nèi)孕枰獔?jiān)持自主創(chuàng)新，穩(wěn)步提升在航空航天領(lǐng)域先進(jìn)復(fù)合材料的使用水平，可以預(yù)期，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在將來國(guó)內(nèi)的航空航天器得到更為廣泛的應(yīng)用，先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料在國(guó)際航空航天領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力也將得到進(jìn)一步增強(qiáng)。