復(fù)合材料與金屬、高聚物、陶瓷并稱為四大材料。復(fù)合材料工業(yè)水平已成為衡量其科技與經(jīng)濟(jì)實(shí)力標(biāo)志之一。先進(jìn)復(fù)合材料是國家安全和國民經(jīng)濟(jì)具有競爭優(yōu)勢的源泉。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域中，環(huán)氧樹脂大顯身手。它與高性能纖維PAN基碳纖維、S或E玻璃纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、玄武巖纖維復(fù)合，便成為不可替代的重要的基體材料和結(jié)構(gòu)材料，廣泛運(yùn)用在電子電力、航天航空、運(yùn)動(dòng)器材、建筑補(bǔ)強(qiáng)、壓力管道、化工防腐等六個(gè)領(lǐng)域。


一、復(fù)合材料使用的增強(qiáng)纖維

復(fù)合材料所用各種纖維材料性能比較中，僅玻璃纖維就比金屬材料的比強(qiáng)度、比模量分別提高了540%和31%，碳纖維的提高則更為顯著。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，由鍵能和鍵密度計(jì)算得出的單晶石墨理論強(qiáng)度高達(dá)150GPa。因此碳纖維的進(jìn)一步開發(fā)潛力是十分巨大的。

開發(fā)碳纖維復(fù)合材料的其他應(yīng)用大有作為，如飛機(jī)及高速列車剎車系統(tǒng)、民用飛機(jī)及汽車復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件、高性能碳纖維軸承、風(fēng)力發(fā)電機(jī)大型葉片、體育運(yùn)動(dòng)器材(如滑雪板、球拍、漁桿)等。隨著碳纖維生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)成本的逐步下降，在增強(qiáng)混凝土、新型取暖裝置、新型電極材料乃至日常生活用品中的應(yīng)用也必將迅速擴(kuò)大。我國為配合北京奧運(yùn)會(huì),擬大力開發(fā)新型CFRP建材及與環(huán)保，日用消費(fèi)品相關(guān)的高科技CFRP新市場。

碳纖維是一種高強(qiáng)度、高模量材料，理論上大多數(shù)有機(jī)纖維都可被制成碳纖維，實(shí)際用作碳纖維原料的有機(jī)纖維主要有三種：粘膠纖維、瀝青纖維、聚丙烯腈纖維。當(dāng)前固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件用的碳纖維大多由聚丙烯腈纖維制成。


二、航空航天用樹脂基復(fù)合材料

據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，航天飛行器的質(zhì)量每減少1千克，就可使運(yùn)載火箭減輕500千克，而一次衛(wèi)星發(fā)射費(fèi)用達(dá)幾千萬美元。高成本的因素，使得結(jié)構(gòu)材料質(zhì)輕，高性能顯得尤為重要。利用纖維纏繞工藝制造的環(huán)氧基固體發(fā)動(dòng)機(jī)罩耐腐蝕、耐高溫、耐輻射，而且密度小、剛性好、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定。再如導(dǎo)彈彈頭和衛(wèi)星整流罩、宇宙飛船的防熱材料、太陽能電池陣基板都采用了環(huán)氧基及環(huán)氧酚醛基纖維增強(qiáng)材料來制造。出于航天航空飛行及其安全的考慮所需，作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高可靠性和穩(wěn)定性，環(huán)氧碳纖維復(fù)合材料成為不可缺少的材料。

高性能環(huán)氧復(fù)合材料采用的增強(qiáng)材料主要是碳纖維(CF)以及CF和芳綸纖維(K-49)或高強(qiáng)玻璃纖維(S-GF)的混雜纖維。所用基體材料環(huán)氧樹脂約占高性能復(fù)合材料樹脂用量的90%左右。高性能復(fù)合材料成型工藝多采用單向預(yù)浸料干法鋪層，熱壓罐固化成型。高性能環(huán)氧復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用在各種飛機(jī)上。以美國為例，20世紀(jì)60年代就開始應(yīng)用硼/環(huán)氧復(fù)合材料作飛機(jī)蒙皮、操作面等。由于硼纖維造價(jià)太貴，70年代轉(zhuǎn)向碳/環(huán)氧復(fù)合材料，并得到快速發(fā)展。大致可分為三個(gè)階段。第一階段應(yīng)用于受力不大的構(gòu)件，如各類操縱面、舵面、擾流片、副翼、口蓋、阻力板、起落架艙門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等次結(jié)構(gòu)上。第二階段應(yīng)用于承力大的結(jié)構(gòu)件上，如安定面、全動(dòng)平尾和主受力結(jié)構(gòu)機(jī)翼等。第三階段應(yīng)用于復(fù)雜受力結(jié)構(gòu)，如機(jī)身、中央翼盒等。一般可減重20%～30%。目前軍機(jī)上復(fù)合材料用量已達(dá)結(jié)構(gòu)重量的25%左右，占到機(jī)體表面積的80%。高性能環(huán)氧復(fù)合材料在國外軍機(jī)和民機(jī)上的應(yīng)用實(shí)例較多。

我國于1978年首次將碳-玻/環(huán)氧復(fù)合材料用于強(qiáng)-5型飛機(jī)的進(jìn)氣道側(cè)壁。據(jù)有關(guān)會(huì)專家介紹，20世紀(jì)80年代在多種軍機(jī)上成功地將C/EP用作垂直安定面、舵面、全動(dòng)平尾和機(jī)翼受力盒段壁板等主結(jié)構(gòu)件。

宇航工業(yè)中除燒蝕復(fù)合材料外，高性能復(fù)合材料應(yīng)用也很廣泛。如三叉戟導(dǎo)彈儀器艙錐體采用C/EP后減重25%～30%，省工50%左右。還用作儀器支架及三叉戟導(dǎo)彈上的陀螺支架、彈射筒支承環(huán)，彈射滾柱支架、慣性裝置內(nèi)支架和電池支架等55個(gè)輔助結(jié)構(gòu)件。由于減重，使射程增加342km。德爾塔火箭的保護(hù)罩和級間段亦由C/EP制造。美國衛(wèi)星和飛行器上的天線、天線支架、太陽能電池框架和微波濾波器等均采用C/EP定型生產(chǎn)。國際通訊衛(wèi)星V上采用C/EP制作天線支撐結(jié)構(gòu)和大型空間結(jié)構(gòu)。宇航器“空中旅行者”的高增益天線次反射器和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)外蒙皮采用了K-49/EP。航天飛機(jī)用Nomex蜂窩C/EP復(fù)合材料制成大艙門，C/EP尾艙結(jié)構(gòu)壁板等。

航天高新技術(shù)對航天先進(jìn)復(fù)合材料的要求越來越高，促使先進(jìn)復(fù)合材料向幾個(gè)方向發(fā)展：

高性能化，包括原材料高性能化和制品高性能化。如用于航空航天產(chǎn)品的碳纖維由前幾年普遍使用的T300已發(fā)展到T700、T800甚至T1000。而一般環(huán)氧樹脂也逐步被韌性更好的、耐溫更高的增韌環(huán)氧樹脂、雙馬樹脂和聚酰亞胺樹脂等取代；對復(fù)合材料制品也提出了輕質(zhì)、耐磨損、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、抗氧化等要求。

低成本化，低成本生產(chǎn)技術(shù)包括原材料、復(fù)合工藝和質(zhì)量控制等各個(gè)方面。

多功能化，航天先進(jìn)復(fù)合材料正由單純結(jié)構(gòu)型逐步實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能一體化，即向多功能化方向發(fā)展。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)以其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料,是其它纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所無法比擬的。


三、趨勢

復(fù)合材料是未來發(fā)展我國航空航天工程有前途的材料，在未來復(fù)合材料的的研制中必須在抗拉強(qiáng)度、蠕變阻力、低和高循環(huán)疲勞、耐高溫腐蝕和耐沖擊損傷等方面滿足要求。提高復(fù)合材料高耐熱性、強(qiáng)度和韌性是發(fā)展復(fù)合材料的關(guān)鍵，今后在耐高溫材料上應(yīng)重點(diǎn)研制結(jié)構(gòu)陶瓷、陶瓷復(fù)合材料和微疊層復(fù)合材料。同時(shí)要在研究低成本復(fù)合材料的制造技術(shù)上加大力度。

飛機(jī)上的復(fù)合材料主要是指碳纖維復(fù)合材料。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件大規(guī)模使用復(fù)合材料，是現(xiàn)代飛機(jī)制造史上的一次革命性變化。它使飛機(jī)重量更輕、強(qiáng)度更高、耐疲勞耐腐蝕性更好，而且復(fù)合材料中的高強(qiáng)度碳纖維進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)后，可以使飛機(jī)的制造成本更低。同時(shí)在計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光、C掃描等先進(jìn)科技的支持下，復(fù)合材料制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量能夠更加可靠地保證飛機(jī)的安全性。

而在我國，復(fù)合材料主要用在飛機(jī)非結(jié)構(gòu)件上，在主結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用還需要進(jìn)一步預(yù)研。這就好比是空客、波音已經(jīng)能用鋼筋水泥造房子，而我國僅掌握全套的用“秦磚漢瓦”造房子的辦法，現(xiàn)在才開始學(xué)著使用鋼筋水泥。更要命的是，用于飛機(jī)的復(fù)合材料原材料我國現(xiàn)在還需要進(jìn)口，尤其是像高等級碳纖維等這樣廣泛應(yīng)用的飛機(jī)復(fù)合材料原材料，我國還不能生產(chǎn)。

文章來源： 復(fù)材應(yīng)用技術(shù)，材圖