航空航天材料的发展

第一篇：航空航天材料的发展

航空航天材料的发展

贾儒

数学试验班21

2120603006

前一阵子电影《地心引力》上映后，引起很大反响，大家多为电影中的特效所震撼，也为宇航员在孤立无援状态下最终重返地球的精神所折服，而我对于在遥远天空中的飞行器更加感兴趣，是它承载了人类的梦想，让飞天，让飞向宇宙成为现实。

航空材料与航空技术的关系极为密切，航空航天技术的发展必然离不开与其相对应的航空航天材料的发展，航空航天材料在航空产品发展中具有极其重要的地位和作用：航空材料既是研制生产航空产品的物质保障，又是推动航空产品更新换代的技术基础。

我的介绍大致分为三个部分，一是飞机从开始到现在的发展过程的简单介绍以及相对应材料选取的改变和技术工艺上的进步；二是介绍影响航空航天材料发展的因素；三是对目前高技术含量的航空航天材料进行介绍。

首先，我们来对飞行器的发展历史来做一个介绍。

18世纪60年代发生的欧洲工业革命使纺织工业、冶金工业、机器制造工业得到很大的发展，从而结束了人类只能利用自然材料向天空挑战的时代，为人类飞向天空提供了可能。1903年美国莱特兄弟制造出第一架装有活塞式航空发动机的飞机,当时使用的材料有木材(占47％),钢（占35％）和布（占18％）,飞机的飞行速度只有16公里/时。这是人类的第一架飞机，可以看出材料很粗糙，在现在的我们看来几乎是无法理解，但也正是它成为了具有划时代意义的发明。1906年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，当时新材料的出现，使制造全金属结构的飞机成为可能。40年代出现的全金属结构飞机的承载能力已大大增加，飞行速度超过了600公里/时。这时已经提现了好的材料在发明制造中所展现的优势是如此明显。在合金强化理论的基础上发展起来的一系列高温合金使得喷气式发动机的性能得以不断提高。50年代钛合金的研制成功和应用对克服机翼蒙皮的“热障”问题起了重大作用，飞机的性能大幅度提高,最大飞行速度达到了3倍音速。60年代以来,航空航天材料性能的不断提高,一些飞行器部件使用了更先进的复合材料，如碳纤维或硼纤维增强的环氧树脂基复合材料、金属基复合材料等，以减轻结构重量。飞行器发展到80年代已成为机械加电子的高度一体化的产品。它要求使用品种繁多的、具有先进性能的结构材料和具有电、光、热和磁等多种性能的功能材料。

前者是对于飞机的各部分，而对于火箭，也可以说是另一领域，40年代初期出现的德国 V-2火箭只使用了一般的航空材料。50年代以后，材料烧蚀防热理论的出现以及烧蚀材料的研制成功，解决了弹道导弹弹头的再入防热问题。返回型航天器和航天飞机在再入大气层时会遇到比弹道导弹弹头再入时间长得多的空气动力加热过程，但加热速度较慢，热流较小。采用抗氧化性能更好的碳-碳复合材料、陶瓷隔热瓦等特殊材料可以解决防热问题。（此处为引用）

人们对于飞机材料探索的时间远长于火箭飞行器之类，观察其发展过程更显丰富。通过以上对航空航天材料发展过程的了解我们可以发现，航空航天材料的进展大致取决于下列3个因素。

一是对材料科学理论的新发现：例如，铝合金的时效强化理论导致硬铝合金的发展，也就是前面说的1906年德国科学家的发现；高分子材料刚性分子链的定向排列理论导致高强度、高模量芳纶有机纤维的发展。

二是材料加工工艺的进展：这也是显而易见的，仅仅有理论，而没有技术的支持是不会有任何前进的。简单来说就是发现了新材料要有相应的应用技术。例如，古老的铸、锻技术已发展成为定向凝固技术、精密锻压技术，从而使高性能的叶片材料得到实际应用；复合材料增强纤维铺层设计和工艺技术的发展，使它在不同的受力方向上具有最优特性，从而使复合材料具有“可设计性”，并为它的应用开拓了广阔的前景；热等静压技术、超细粉末制造技术等新型工艺技术的成就创造出具有崭新性能的一代新型航空航天材料和制件，如热等静压的粉末冶金涡轮盘、高效能陶瓷制件等。

三是材料性能测试与无损检测技术的进步：现代电子光学仪器已经可以观察到材料的分子结构；材料机械性能的测试装置已经可以模拟飞行器的载荷谱，而且无损检测技术也有了飞速的进步。材料性能测试与无损检测技术正在提供越来越多的、更为精细的信息，为飞行器的设计提供更接近于实际使用条件的材料性能数据，为生产提供保证产品质量的检测手段。

一种新型航空航天材料只有在这三个方面都已经发展到成熟阶段，才有可能应用于飞行器上。因此，世界各国都把航空航天材料放在优先发展的地位。中国也不落后，在50年代就创建了北京航空材料研究所和北京航天材料工艺研究所，从事航空航天材料的应用研究。尽管如此，我们国家在某些技术领域还是落后于航天强国，仍需更进一步的努力和发展。

在对现今航空航天材料作介绍之前，我们还需要了解的是它们需要具有哪些性质，也就是什么样的材料类型适合作为航空航天材料。

用航空航天材料制造的许多零件往往需要在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作，有的则受到重量和容纳空间的限制，需要以最小的体积和质量发挥在通常情况下等效的功能，有的需要在大气层中或外层空间长期运行，不可能停机检查或更换零件，因而要有极高的可靠性和质量保证。不同的工作环境要求航空航天材料具有不同的特性。

总的来说，航空航天材料所需的性质大致如下：

一是具有高的比强度和比刚度。对飞行器材料的基本要求是：材质轻、强度高、刚度好。减轻飞行器本身的结构重量就意味着增加运载能力，提高机动性能，加大飞行距离或射程，减少燃油或推进剂的消耗。因此比强度和比刚度是衡量航空航天材料力学性能优劣的重要参数。同时飞行器除了受静载荷的作用外还要经受由于起飞和降落、发动机振动、转动件的高速旋转、机动飞行和突风等因素产生的交变载荷，因此材料的疲劳性能也受到人们极大的重视。

二是优良的耐高温性质。就是说指航空材料要能耐受较高的工作温度。对机身材料，气动力加热效应使表面温度升高，需要结构材料具有好的高温强度；对发动机材料，要求涡轮盘和涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能。

三是耐老化耐腐蚀。各种介质和大气环境对材料的作用表现为腐蚀和老化。航空航天材料接触的介质是飞机用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推进剂（如浓硝酸、四氧化二氮、肼类）和各种润滑剂、液压油等。其中多数对金属和非金属材料都有强烈的腐蚀作用或溶胀作用。在大气中受太阳的辐照、风雨的侵蚀、地下潮湿环境中长期贮存时产生的霉菌会加速高分子材料的老化过程。所以耐腐蚀性能、抗老化性能、抗霉菌性能也是航空航天材料应该具备的良好特性。

四是寿命长以及安全性高。这更是显而易见的因素之一，作为载人技术的支撑材料，安全因素是必须考虑在内的。同时要注意的是，在不断减少飞机质量的同时，更加不能忽视因质量减少而导致安全性减小现象的产生。

五是成本要低。新型号的先进飞机价格不断攀升，各航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出了“买得起”的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占有相当份额，所以科学地选材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要方向。同时很多民航飞机，作为普通民众所要使用的交通工具，努力降低成本也是实现“以人为本”的一项要求。

最后，就是对现今航空航天材料的介绍了。

航空航天材料按材料的使用对象不同可分为飞机材料、航空发动机材料、火箭和导弹材料和航天器材料等。按材料的化学成分不同可分为金属与合金材料：铝合金、镁合金、钛合金、钢、高温合金、粉末冶金合金等；有机非金属材料（高分子材料）：透明材料、胶粘剂、橡胶及密封剂、涂料、工程塑料等;无机非金属材料：玻璃、陶瓷等；复合材料: 聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料、碳/碳复合材料等。按使用功能可分为：结构材料和功能材料。

谈及具体的材料，我挑选了四个具有代表性的来简单介绍。

1，铝合金。铝合金因其技术成熟、成本低、使用经验丰富等优势，在相当长的时期内，仍将是亚音速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一。

2，结构钢。一些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的备选材料。

3，钛合金。钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑，但是钛合金的较贵的价格和较差的工艺性，是影响使用的很大因素。

4，先进复合材料。由于先进复合材料具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等优点，在未来高性能的飞机结构材料中，先进复合材料将会占据越来越重要的地位，甚至完全有可能出现全复合材料结构的飞机。

我们知道飞机由很多个部分组成，其核心部分是发动机，所以有必要了解发动机材料的发展及现状。

目前，就航空发动机的材料而言，金属材料的使用温度已接近其极限，不可能满足下世纪航空发动机的设计要求。因此，发动机的设计师已开始转变传统的选材观念，不再以金属材料作为设计的基础，而是转向或接近新材料。从目前国外应用现状及发展前景来看，下个世纪航空发动机的材料将以非金属材料为主体。非金属这个技术概念范围很广泛，我们所说的发动机用非金属材料主要是指复合材料。这里的复合材料主要有：陶瓷基复合材料，金属间化合物以及碳碳复合材料。

航空发动机作为飞机的核心部件是航空发展必不可缺的一部分，而我国发动机的发展远落后于欧美等发达国家，但随着国家对发动机发展的重视，在发动机的投入逐渐增加让我国发动机水平与发达国家的距离逐步缩短，如我国自行生产的昆仑太行发动机为我国以后发动机的发展打下了坚定的基石。

作为非专业的学生，我对航空航天材料的了解十分有限，以上是结合资料和我个人看法的叙述。六十年来，我们国家的航空航天技术和材料的发展非常迅速，在一批批航空人才的努力下，已经有了很大进步。我相信，在新的时代里我们国家会创造新的辉煌。

第二篇：航空航天材料的应用与发展

航空航天材料的应用与发展

S201201 张明洁 2012040301003 飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料，是航空航天工程技术发展的决定性因素之一。航空航天材料科学是材料科学中富有开拓性的一个分支。飞行器的设计不断地向材料科学提出新的课题，推动航空航天材料科学向前发展；各种新材料的出现也给飞行器的设计提供新的可能性，极大地促进了航空航天技术的发展。

航空航天材料的进展取决于下列3个因素:①材料科学理论的新发现：例如，铝合金的时效强化理论导致硬铝合金的发展；高分子材料刚性分子链的定向排列理论导致高强度、高模量芳纶有机纤维的发展。②材料加工工艺的进展：例如，古老的铸、锻技术已发展成为定向凝固技术、精密锻压技术，从而使高性能的叶片材料得到实际应用；复合材料增强纤维铺层设计和工艺技术的发展，使它在不同的受力方向上具有最优特性，从而使复合材料具有“可设计性”，并为它的应用开拓了广阔的前景；热等静压技术、超细粉末制造技术等新型工艺技术的成就创造出具有崭新性能的一代新型航空航天材料和制件，如热等静压的粉末冶金涡轮盘、高效能陶瓷制件等。③材料性能测试与无损检测技术的进步：现代电子光学仪器已经可以观察到材料的分子结构；材料机械性能的测试装置已经可以模拟飞行器的载荷谱，而且无损检测技术也有了飞速的进步。材料性能测试与无损检测技术正在提供越来越多的、更为精细的信息，为飞行器的设计提供更接近于实际使用条件的材料性能数据，为生产提供保证产品质量的检测手段。一种新型航空航天材料只有在这三个方面都已经发展到成熟阶段，才有可能应用于飞行器上。因此，世界各国都把航空航天材料放在优先发展的地位。

材料不仅是制造航空产品的物质基础，同时也是使航空产品达到人们所期望的技术性能、使用寿命与可靠性的技术基础。航空技术的进步与发展对航空材料起着积极的“牵引”作用；与此同时，材料科学与工程发展，新型材料的出现，制造工艺与理化测试技术的进步，又为航空新产品的设计与制造提供重要的物质与技术，从而对航空产业的发展起着有效的“推动”作用。例如，承载与隐形一体化材料的出现，既是隐形飞机设计构思提出的需求，同时也使隐形飞机从设想变为现实；优质单晶高温合金的出现，使发动机涡轮前温度得以大大提高，推动着高推重比航空发动机的进步。

由于航空产品具备高科技密集、系统庞大复杂、使用条件恶劣多变，要求长寿命、高可靠性和品种多、批量小等特点，从而使航空材料也相应地具有一系列特点：

（1）种类、品种、规格多。航空材料按用途分有结构材料、功能材料及工艺与辅助材料三大类：按化学成分分有金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料以及各种复合材料。各类材料又涉及众多的牌号、品种与规格。

（2）高的比强度（σｂ/ρ）和高的比刚度（Ｅ/ρ）是航空结构材料的重要特点。减轻结构重量既可增加飞机、直升机的运载能力，提高机动性，加大航程，又可减少燃油消耗。因此，高强度铝合金、钛合金以及先进复合材料在航空上得到广泛的应用。

（3）高温合金是航空材料极其重要的组成部分。燃气涡轮（包括涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴）发动机是现代飞机、直升机的主要动力装置，而各类高温合金则是制造现代航空燃气涡轮发动机的关键材料。随着发动机推重比（或功重比）的提高，涡轮前温度也随之升高，对材料的耐温要求也愈来愈高。

（4）质量要求高。由于飞机、直升机是一种载人反复运行的产品，在规定的使用寿命期内，对使用可靠性、安全性有着极其严格的要求。为此对航空材料要进行严格的质量控制。

（5）抗疲劳性能是航空材料的另一个突出特点。大量的事实说明，在飞机、发动机所发生的失效事件中，约80%以上是各种形式的疲劳损伤所引起。航空材料的抗疲劳性能是关系到航空产品使用可靠性和使用寿命的一项非常重要的性能指标。

（6）成本高、价格贵。由于航空产品品种多样而批量小，相应地航空材料的牌号品种也多，批量也小，难以形成规模化生产，同时质量要求又高，从而导致材料的成本高，价格贵。材料费用在航空产品成本中占有很大比重。如何降低其价格是航空材料发展的一个重要努力方向。

中国航空产业经历了从修理、引进、仿制到改进、改型和自行设计研制的发展历程。用以制造航空产品的材料也经历了引进、仿制、改进、改型和自行研制的发展历程。到目前为止，我国已定型生产的航空用金属、有机高分子材料、无机非金属材料以及复合材料的牌号约2000余个；已建成具有一定规模的航空材料研究与生产基地，拥有生产航空产品所需各类材料牌号、品种与规格的生产设备及检测仪器；先后制订了1000余份各类航空材料、热工艺及理化检测标准（包括国标、国军标与航空标准）；编写出版了《中国航空材料手册》、《发动机结构设计用材料性能数据手册》及《航空材料选用目录》等；颁布了“航空工业材料及热工艺技术工作规定”、“航空材料（含锻、铸件）技术管理办法”等法规性文件。从总体上看，我国目前已定型生产的航空材料（含类别、牌号、品种与规格）及其相应的标准与规范，基本上能满足第二代航空产品批生产的需求。针对第三代航空产品所需关键材料，如热强钛合金、高强铝合金、超高强度结构钢不锈钢、树脂基复合材料、单晶与粉末高温合金等，从技术上看，已具备试用条件，但要转化为在特定工况下使用的零部件，并体现出第三代航空产品的总体效能（技术与战术性能、使用可靠性与寿命以及经济效益等）尚需做大量的工作。

我国航空材料的现状与新一代航空产品（飞机以F-22为代表，发动机以推比10为代表）对材料的需求之间尚存在较大的差距，主要有如下三方面：

（1）前沿材料研究滞后，新材料储备小，第三代、第四代航空产品所需的一些关键材料，如快速凝固材料、高强轻质结构材料、热强钛合金、超高强度钢、金属间化合物及以其为基的复合材料、树脂基复合材料等的研究滞后，与国外先进新材料研制水平的差距约为15～20年；

（2）新材料研制、生产和应用研究的基础条件较差，如超纯熔炼、高温整体扩散连接、喷射成型、等温锻造、电子束沉积涂层、纳米材料制备、超高温检测、超声显微镜、激光无损检测等先进的合成与加工设备、质量检测与控制手段等不能满足新材料研制、生产与应用的需要；

（3）一些常用结构材料的质量不稳定，性能数据分散，表面质量差，尺寸精度低，有些品种规格不能正常供货，满足不了生产使用要求。

建立中国航空材料体系的具体思路应包括以下几个层次：

1.逐步理顺和建立我国航空用各类材料的牌号序列 首先要对现有用于各类航空产品的材料加以收集汇总，然后按照“淘汰落后材料，限用综合性能差与使用面窄的材料，合并性能水平相近的材料，推荐综合性能好的材料，补充暂缺的先进材料”等原则，加以分类整理，建立起适合我国国情的具有不同性能水平档次的各类材料的牌号序列，并逐步纳入国标、国军标或航标。

2.正确处理并逐步解决多国材料并存、重复、互不兼容的复杂局面

（1）对已往在引进国外航空产品过程中所仿制的，目前尚未纳入国标、国军标或航标的各类国外材料，进行全面清理和综合对比分析，选择其中国内没有且有应用前景的材料牌号，加以研究完善，而后使其尽快纳入国标、国军标、或航标中，编入到该类材料的牌号序列中。其余的国外材料牌号要加以限用，即限制在除原引进航空产品以外的产品上使用。

（2）随着我国对外开放的深入和加入“WTO”步伐的临近，引进航空产品及技术将会不断增加，妥善处理其中的材料问题将是建立中国航空材料体系的关键。为此，要在熟悉和掌握国外各类材料牌号与标准的基础上，进行对比分析，分别采取代用与仿制两种方法加以处置。

首先是用国内现有材料牌号代用。由于各国矿产资源和技术水平的不同，一些工业发达国家先后形成了各自的材料牌号序列。各国间完全相同的材料牌号是极少的，大多数只存在相当或相近的对应关系。因此，如果国内现有某材料牌号的化学成分与引进产品所用某一材料的化学成分相近，力学性能与工艺性能相当，即可用该材料代用相应国外材料。在这里需要的是理性的、实事求是的科学分析，必须摒弃过去那种“一丝不苟”照搬照抄国外的做法。在没有相应国内材料牌号与之对应的国外材料，且又没有仿制价值时，可根据具体的使用条件，采取“以优代劣”的办法加以处置。其次是对国内现有材料牌号难以代用的少量国外材料可作如下处置：对确有先进性和应用前景者，则可立项仿制；若用量少，要求高，国内难以仿制生产或虽可仿制生产，但经济上很不合算，同时国外又能正常供货的材料，可直接向国外采购，不必拘泥于“一切立足于国内”。

3.加大对现有定型材料的改进改型研究力度 通过调控成分或变更工艺等手段，充分挖掘现有材料的潜力，做到“一材多用”。

4.加强对新材料的研究 先进航空产品的发展，对材料的要求愈来愈高，因此，要加强对树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、金属间化合物、高强高韧、可焊、耐蚀合金钢、高强铝合金、耐热钛合金等的研究。

5.在建立材料牌号序列的同时，建立航空材料性能数据库 对那些用作关键件、重要件的材料，要补充测试有关结构设计、可靠性评估与寿命预测等所需的性能数据。

6.加强特种工艺和理化测试技术的开发研究 在制订材料标准的同时，制订相应的特种工艺及理化检测标准，形成完整的标准系列，达到扩大材料应用范围，提高材料的应用技术经济效益。

7.建立和完善运行机制及行业规范 在有关材料选用、材料研制和材料采购等方面，建立和完善与市场经济相适应的运行机制及一套行之有效的行为规范，理顺材料选用、材料研制材料采购等部门之间的关系，使这方面的工作走上科学化、规范化和程序化的轨道。

第三篇：航空航天材料

航空航天材料

简要。本文介绍7经过增强的工程热望性材料以琏热固性材料在航空航无方面 的应用。远号应用有； 雷达天线罩、飞行器结构、陀螺外万向架、电路板，导弹弹 体构架等。

主题词： 热塑性塑料，航天材料，航空材料，复合材料

引 言

航空航天工业总是期待着性能优良、重量轻，价格便宜的材料。

“塑料 己存在相当长的时间了，但是常用塑料本身，尽管重量轻，价格便宜，但在航 空航天领域里应用并不多。

复合材料使用了特性增强荆来弥补其基体塑料性能之不足。复合材料用途较多，目前，为了某些领域的应用，己制成热固性树脂为基体的复合材料。

热固性材料，当固化时，其分子交联，一旦成型，其形状不能改变，这些材料中典型的 是在一些船壳制造中使用的玻璃增强塑料(GRP)。另一方面，热塑性材料，一经加热，即可成 型并冷却，还可再次加热并再次成型，典型的有，聚乙烯薄镀反射罩和聚氯乙烯(PVC)双釉。不幸的是，热塑性材料己不是一种优良的材料了。它受到因对该材料性能了解不多造成 设计不良的严重损害。

许多年来，改变热塑性材料不利状态依赖于对工程热塑料更完善的认识。这些塑料有聚

酰胺(尼龙)，二乙醇共聚物，聚酯。这期间，注意力集中在上述塑料与如象聚乙烯，聚氯乙 烯，聚苯乙烯这种 商品 塑料之简的差别。这些工程塑料已在市场上取得成功，在某些情 况下其寿命更长些。

这项成功的基础是主供应厂商们的宣传教育，他们认为，对任何组件来说，热塑性材料 都需有正确的设计、合格的材料以及适合的工艺方法。在低等级塑料设计中，不能取代热塑性材料

但是，当工程热塑性材料市场范围扩大时，塑料市场在方向变化上变得成熟，特别是在 普通材料在全部应用中不能满足设计者的总要求时。

在这些要求中，最主要的是能承受的结构温度较低，因此，降低了潜在的应用价值。当 继续研究时，虽然在价值上依据未加工材料价格和生产价格，但市场仍准备接受提高了性能 的材料。主供应厂商努力对付这种挑战，并且在70年代，第一代新型热塑性材料进入市场，特别是在过去的几年里，取得了明显的增长。

所有这些新生产的高性能工程热塑性材料是以其特性为其特征的，除它们所具有一些有 用的性能外，．耐高温性能是最突出的性能之一。

为了确定能否满足挑战的要求，建议给出各种类型材料，及其特性的简单比较，在这之 前，给出热塑性材料及其复合材料所具有的潜在的以及在某些情况下，所具有的更多的先进 性能的简单应用情况。材 料

热国性材料

大部分已投入使用的热固性材料为大家所熟知的G．R．P．(玻璃纤维增强塑料)材料。

这些材料一般具有弹性性质，并已用象增强纤维这样的材料提高其性能，以便提供应用泛围 更为广泛的材料，应用泛围有公共汽车的候车亭、飞机和卫星的结构。

热固性材料特性可以用其化学性质来表征。由于用这种材料制成的组件在生产时要固

化，分子间要进行交链反应，所以这些材料具有像玻璃一样的光滑，易碎、并且工艺性能差 等特性。这种类型的典型材料从商业聚酯化物到作为主流材料的环氧类，它们都很少具有高 温性能。然而，也有一些其它的热固性树脂，它们之中的每一种均具有独特的性质，而是主 流材料所不具有的。例如，乙烯树脂／酯在化学腐蚀的环境中非常适用，丙烯酸盐／氨基甲酸

乙酯是一种新型的树脂系列，它具有快速固化的潜在优势、固化周期是以分计，而不是小时 或者天，对于生产速度高的树脂喷注工艺来说是理想的

热固性材料的生产技术主要受到手工铺置(这种技术在热固性材料生产工艺中起主要作 用，并且在这种工艺中，对自动化在生产成本可行的部件起关键作用)和新型喷射成型工艺 的限制。热塑性材料

这是一种可进行多次成型的材料。进行初始成型的工艺技术范围非常广泛，包括喷注，压缩吹制、挤压以及浇注等各种方法。

这种材料有两种化学结构，它们的热塑性就是在这种结构的基础上形成的。一种化学结 构是任意分子结构的无定形聚合物，另一种是甚有序分子结构的结晶聚合物。高性能工程热塑料材料分为两种，并具有不同的特性，但均具有相同的高温性能。无定形热塑性材料通常是透明的、具有转移温度(Tg)(~200X])高，熔化范臣大，抗蠕 变性好以及耐化学腐蚀性的材料。

此类高性能工程热望性材料属于多芳基化合物，如； 聚醚砜 P．E．S 聚砜 P．S．F以及 玫型聚酰亚胺

聚醚酰亚胺P．E．I 结晶热望性材料通常是半透明或不透明的，转移温度较低(Tg s≈150℃)，到达熔点迅 速，耐磨、抗疲劳、化学性能好。这些聚合物有。

聚醚醚酮 P．E．E．K 聚醚酮 P．E．K 聚酮 P．K 对聚苯硫 P．P．S 这是一些典型的多芳基化合物聚合物，而聚酰胺亚胺P．A．I是一种改良型聚酰亚胺。这两种聚合物之间的主要差别在于其性靛随温度的变化而不同，如图1所示。

图lA表示，弹性模量在温度达到Tg之前随温度变化的情况，其性靛曲线以一种梯度形 式下降，而这种材料缓慢地熔化。

结晶型材料的弹性模量随温度的变化(图1B)有两个特殊阶段，弹性模量在Tg处下降，当该种材料的温度达到其熔点(Tin)时，又一次快速下降。

目前，芳基化物和改良酰亚胺是两种主要的聚合物材料，它们占据着高性靛热塑型材料

市场。但是，新型材料的研制一直在进行，例如液晶或自身增强聚合物X州ar和Vectra以爱 D．s．M．Netherland s研制的4．6尼龙型材料。

利用在上述材料中加入增强剂的办法，使得热塑性复台材料在高性能元器件的应用上具 有明显的潜力。

热塑性材料的远景应用

雷选天线罩 ’ ●

雷达天线罩材料的选择受到应用的限制，由于天线罩具有穿透雷达频率的靛力，所以只 能用非金属材料。

雷达天线罩基本上是个具有气动力外形的壳体，它可以保护雷达天线不受环境的影响，对信号不太会或根本不会造成衰减和失真。目前，已经用由连续玻璃纤维或aramid纤维增强 的热固性材料制成，并且还必须用台成橡胶涂料涂敷，以保护天线罩不受高速的雨滴、冰雹 和雪的影响。这种热固性材料还不受飞行器的各种流体和燃料的影响，在本应用范围内，飞 行器各种流体和燃料与材料是极为相窖的。

目前，在该极特定范围内的新型热塑性材料可能超过热同性材料，如这些材辩具有固有 的耐蚀性，这是由于这些材料的天然刚性，并且在结晶状态下还具有固有的耐化学腐蚀性

更重要的是，它在广泛的温度泛围内有可控绝缘性能，以及存在着消除用于环境防护的橡胶 涂层的潜力，解决了信号衰减的设计问题。但是，当需要高温加工设备时，由于对成本产生 很大的影响，热塑性材料的制造可能限制了产品的尺寸。当试图连续生产塑强热塑性材料的 天线罩时，生产制造即成为重大问题了。飞行器结构 飞行器组台件是用轻金属合金制造的，但是，提高含有高强度连续碳纤维的环氧／碳复 台材料的使用已减轻了组件的重量，并且其某些性能超出了一般的金属。

热固性基体复台材料，其本身要求成型周期长，以便使热固性复台材料的组件较好地达 到预计性能。交联键基体材料呈玻璃态，而热塑性材料成型后仍保留可塑性，特别是在涉及 到的故障容限上具有台乎要求的特性，因此，热塑性材料是有希望的。．

连续碳纤维增强热塑性材料，像P．E．E．K-A．P．C，也表明共生产周期缩短，无贮存寿 命或固化周期，优越的耐热、耐湿性以及较好的故障容限性，但是不易制造，并且由于最一 般的热固性热压处理成型技术之故而还未投入使用，因此，在高性能应用上才刚刚开始。另外一些没有什么结构要求的飞行器应用是人孔盖。由常用的铝材改为热固性复台材

料，其重量减轻25。就热塑性材料而言，这种重量的减轻随生产成本的降低而提高，典型 情况下，是常用复台材料的三分之一。

用于制造这些组件的典型生产技术采用了改进的冲压技术，这种冲压技术特别适用于以 热塑性P．P．S和P．E．E．K作为基体材料的连续纤维复台材料。陀螺外万向架

现代陀螺组件主要用铝材制造，这可以达到减轻重量和提高刚度的要求，同时还满足极 高的尺寸允差要求。

当前的工作是评价在本项范围内应用复台材料时降低成本的主要原因，特别是在组件产 量达到数万件时。

已经对使用可塑性复台材料的两种技术进行了评价。一种是环氧／碳单向铺层、粘结和 机械固接到复合铝台金上的技术。它具有较好的尺寸稳定性，尤其是在热膨胀时。

第二种为注模工艺技术，这种技术使用了在几种如像P．E．E．K，P．E．S，P．E．I和P．P．S 这些工程热塑性塑料中加入短碳纤维而制成的复台材料。这种方法的优点是在极高的弹性模 量的条件下减轻重量，并能对轴承和轴瓦进行整体模压制造，因此进一步降低了生产成本。表1列出了这种应用方法的典型性能的比较。电路援

三十年来，印刷电路板使用了以聚酯树脂，环氧树脂以及聚醢亚胺作为热固性基体材料 和以璃玻纤维编织物或纸作增强材料而构成的复台材料。

新型和先进的 电子封装 技术需要有具有不同特性的电路板，很多普通材料不能满足 要求，特别在介电常数上

由于普通工程热塑性翅料的限制而使得先进技术的希望有所减小，在P．E．S和P．E．I选 种塑料出现之前，不会满足如下一些设计准则的要求，这些准则是 ·经受住焊接温度和时间，·使用标准技术进行生产I ·提供良好的导体／基体的粘接。

当前趋向于使用无定形材料，这些材料在温度达到转移温度(T g)之前，尺寸稳定性较 好，不发生相变。像P．S．F，P．E．I和P．E．S这些材料，其T 和热失稳温度(HDTS)均 高，且不易燃，就国际规格(美NUuderwriter s试验室)来说，比大多数常用基础材料要 高。

对许多改进的电系统，这些材料具有潜在的优势，但是，前一些传统的材料仍适用于 许多设计上 典型材料的比较见表2。导弹弹体构架

制造导弹的典型方法是用铝材经锻造或铸造制成单独的圆筒形段，然后焊接而成整个弹 体。

为了降低成本，特别是对生产上千发导弹来说，需采用成本很低的导弹设计工程方法。

这就是半壳式设计方法，这种方法除具有高生产率外，其主要的优点是整个导弹弹体的焊接 工作量明显降低(见圈2)

对各种成塑方法进行了评价，戚塑使用的材料是高性能工程热塑性材料，成塑方法包括

从连续纤维热固性树脂喷注法到热固性压膜和注膜法。

上述每种生产技术都可能满足所需大量的导弹结构设计要求。对任何塑性材料来说，热 塑性材料具有最高的潜在生产速度。

直到目前为止，许多常用的热塑性材料尚不能满足导弹结构应用要求。但是，像P．P．S、P．E．E．K和P．E．S聚台物的出现产生了成本一效果设计结果，尤其是将增强钎维加入到天 然高性能基体材料时。在本应用中使用的几种复合材料的典型性能列于表3。

对各种成塑方法进行了评价，戚塑使用的材料是高性能工程热塑性材料，成塑方法包括

从连续纤维热固性树脂喷注法到热固性压膜和注膜法。

上述每种生产技术都可能满足所需大量的导弹结构设计要求。对任何塑性材料来说，热 塑性材料具有最高的潜在生产速度。

直到目前为止，许多常用的热塑性材料尚不能满足导弹结构应用要求。但是，像P．P．S、P．E．E．K和P．E．S聚台物的出现产生了成本一效果设计结果，尤其是将增强钎维加入到天 然高性能基体材料时。在本应用中使用的几种复合材料的典型性能列于表3。时，预定纤维取向是重要的。

～～ 自鼐五烯出现以来，现有的工程热塑料已经发展了相当长的一段时间，但是在热性能方

面，温度性能产生了自己的问题 生产这些材料需要很高的温度，并且生产连续纤维复合材

肆组台件优之生产与其相似的热固性材料组件要困难得多。

这种情况的发展，使之适台于重要的应用上。在这些应用中，热塑性材料可作为基体材 料而取代许多常用的热固性材料。一

热塑性材料的一个突出优点就是它可以作为一种纯树脂束生产工程组合件而不需加入增

强材料。热同性枋料仅作为树脂来使用是不实际的，要保证使用，则需要特性增强剂。

结 论

本文说明了热塑性材料及其复合材料在航空艟天应用中的范围，其潜力是否完全满足要 求将取决于所选用的材料能按成本—— 效果要求进行组件设计和生产。

从用于增强剂的纤维到用于降低密度以及介电特性的空心微球颗粒的这些特性增强剂表

明，所有。塑性一材料都具有满足大部分应用的通用性，丽在这些应用中，均使用了热塑性 材料。

疑后指出，热塑性材料不能取代热固性材料，它们仅弥补塑料作为一个整体以及满足取 决于其能力的挑战要求的塑料的成就项目。

第四篇：碳纤维复合材料在航空航天领域相关发展

碳纤维复合材料在航空航天领域的发展浅析

咱们分航空和航天两个方面，对CFRP的应用，略加介绍。这篇的很多技术术语，都在前文中介绍过。您有了那些铺垫，再读下去，会觉得没那么生涩。还会因为知道了前因后果，感悟得更多一点所谓外行看热闹，内行看门道。说到应用，国外的料大家尽管爆，国内产品公开的信息不多，因此兵器迷所知有限，只能给大家上个小菜——所有国内资料都来自互联网官方报道和公开出版物，并注明了相关来源。额来坛子的目的，第一是学习，第二是分享，第三是科普。

一、航空方面的CFRP应用

业内一般认为，碳纤维复合材料在军用航空方面的应用大体上可以分为三个阶段（也有按四个阶段分的，差异不大）。民机对安全性、经济性、可靠性要求高于军机，因此在应用上更加保守和延后，但也大体追随了军机的步伐。在此一并介绍。

第一阶段——非承力结构：20世纪60-70年代：由于1公斤CFRP可以大体替代3公斤铝合金，性能满足要求，因此开始用于非承力结构，如舱门、前缘、口盖、整流罩等尺寸较小的部件。对于民机，除了上述应用外，机舱大量的内饰也会用到复合材料，但其中有很多是芳纶或者玻璃纤维复材，这里不赘述。

国内方面：从难度上说，非承力结构是航空复材的小case，但是应用面却最广泛。国内在技术上已无大的障碍，基本达到了国外类似的水平，需要的是大规模普及。相信ARJ21,C919和运20等大平台和众多无人机小平台定型运营后，能够为此提供广阔的应用空间。

这些一般应用，大多用便宜的大丝束产品就够了；而T300以上的产品，贵得离谱，好钢用在刀刃上，于是大多用在承力结构上。

第二阶段——次承力结构：20世纪70-80年代：随着力学性能的改善与前期应用的效果提高了人们的信心，CFRP逐步扩展到飞机的次承力结构，即垂尾、平尾、鸭翼、副襟翼舵面等受力较大、尺寸较大的部件。

其中，1971年美国F-14战斗机把纤维增强的环氧树脂复合材料成功应用在平尾上，是复合材料史上的一个里程碑事件。波音B777也将CFRP应用于垂尾、平尾等多处部件，共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%。

国内方面:

中国将CFRP用于军机的舵面和翼面，也已经开始成熟。

根据《玻璃钢》等杂志的公开报道,早在“六五”期间，沈阳飞机设计所、航空材料研究院和沈阳飞机厂共同研制歼击机复合材料垂尾壁板，比原铝合金结构轻21kg，减重30％。北京航空工艺研究所研制并生产的QY8911／HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。歼轰7-A战机采用了CFRP平尾。

2009年建国60周年国防成就展上，报道了歼10在鸭翼、垂尾、襟副翼、腹鳍等所有7个舵面和腹鳍采用了CFRP材料，这与国外这一阶段的发展水平基本相当。

2011年通用航空大会上披露，即将定型的猎鹰L15高教机也采用了复材的机头罩、方向舵和垂尾，其中舵面是CFRP。

在民机方面，ARJ21新支线飞机的复合材料技术水平大体达到了这样一个水平，算是开了个头，但大规模应用尚需时日。

图1 国内某机型基于“π”形接头盒段结构成型的CFRP垂直安定面

图2：猎鹰L15采用了T300CFRP材料制作的尾翼舵面

国内CFRP次承力构件的广泛应用，与T300生产进程密切相关。材料的国产化，产量的扩大化和价格的低廉化，分别为CFRP次承力构件的应用提供可能性、适用性和经济性。从而最终推动CFRP次承力构件成为国产军民航空器的标配。

这一阶段的材料和工艺，都是我们用T300和手工铺叠工艺能够达到的，因此未来的发展相对有把握。但如果制件再大些，承力再大些，就会涉及主承力结构了。

第三阶段，从上世纪80年代至今，随着高性能碳纤维和预浸料-热压罐整体成型工艺的成熟，CFRP逐步进入机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构中。

美国原麦道飞机公司于1976年率先研制了F/A-18的复合材料机翼，把复合材料的用量提高到了13%，成为复合材料史上的又一个重要里程碑。后期更采用自动铺丝技术为FA-18E/F制造CFRP的12块机身蒙皮，10块进气管蒙皮，4块水平尾翼蒙皮。F16战斗机BLOCK50之后也开始采用CRPR复合材料机翼。F22战机的复合材料用量已经提高到结构重量的22%。目前西方国家军机上复合材料用量约占全机结构重量的 20%～50%不等。

民机方面，波音777采用全复合材料尾翼，其翼面及翼盒构件，均采用自动铺带技术制造。空客A330/A340飞机长9m，宽2m，重200kg的大型蒙皮壁板。A380的后机身所有蒙皮壁板19段，22%的机身重量是CFRP。尤其是A380的8*7*2.4米中央翼盒，重8.8吨，CFRP就用了5.5吨，比金属材料减重达1.5吨，其燃料经济性相当可观。

这方面的先行者，是波音公司的B787“梦想”飞机，复合材料应用率50%。CFRP广泛应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位，同时是第一个同时采用CFRP复合材料机翼和机身的大型商用客机，其23% 的机身均使用了自动铺丝机制成的CFRP材料。

最值得关注的，是其机身：787机身工艺采用直径5.8m 的成型模胎安装在一旋转夹具上沿长轴转动，先铺长桁然后铺皮，形成外表光滑的变厚度的壳体以及共固化的桁条组成的机身段，经过热压罐固化后，取下模胎。这一工艺可以代替由上百块蒙皮壁板、加强筋及长桁、上千个紧固件组成机身的工艺，见下图。

图3：波音787直径5.8米整体成型CFRP框段

在研机方面，波音公司X-45系列飞机复合材料用量达90%以上，诺斯罗普·格鲁门公司的X-47系列飞机也基本上为全复合材料飞机。

看完波音的系列CFRP主承力结构产品，兵器迷想问问某些网友，凭哪条说美国是产业空心化，只剩下金融和房地产了？人家居安思危，几句谦虚的自拙之语，被刚进入工业化不久的我们如获至宝般的照单全收，再加以主观放大，作为沾沾自喜的根据，实在不足为取啊。

国内方面

根据中广网的公开报道，2012年12月，中航工业西飞公司向中国商用飞机有限责任公司(简称中国商飞)交付了C919大型客机中央翼、襟翼及运动机构部段，这是C919大型客机七大部段中难度最大、工作量最大的两个部分。这两个部段尺寸大、结构复杂、外形公差要求高，尤其是国内民机最长尺寸、长达15米的襟翼缘条加工，技术难度非常大。西飞突破了复合材料大型成型模具设计制造技术、复合材料构件预装配变形控制技术等多项技术难关，整个研制过程全部采用先进的三维数字化设计、传递与制造，中央翼部段除1号肋是金属件外，全部采用了先进的中模高强碳纤维/增韧环氧树脂复合材料制造。这是国内首次在固定翼飞机最重要的主承力结构件上使用复合材料，代表了中国制造的碳纤维航空复合材料应用的最高水平。

图4 国内基于T 形接头共固化/胶接一体成型工艺研制的盒段件。

图5国内采用CFRP生产的某机型纵横向加筋机身壁板。

注意，图5的产品仍然面积较小，需要通过机械加工多块拼接形成大型壁板。而波音787可以整体成型超长超宽的壁板，覆盖在两个大型工艺分离面（核心主框段）之间，如5.8m×7m 的47 段和 4.3m×4.6m的 48段CFRP壁板。

我们能做出来786这么大的壁板吗？回答是：能。

这位眼睛瞪圆了——那为什么不用呢？

其实，国内C919大飞在一开始，也曾雄心勃勃，想做类似波音787这样的大型整体壁板.但我们的工艺水平不成熟，虽然能做出来，却无法控制批次质量的稳定性.废品率高，成本自然下不来。C919是商飞啊，不是技术验证机，安全性和经济性都是一票否决，所以琢磨了很久，还是放弃了。仍然采用分块成型拼接吧。

差强人意,亦属无奈。

为了学习CFRP大型构件整体成型的新技术、新工艺，哈飞复合材料公司与外方合作伙伴一起，共同进行C919的部件开发。下图6展示的，就是哈飞复材公司参与制造的C919机尾框段——在2.4米的长度内，直径从2米平滑过渡到1.2米，一次整体成型，是目前公开所见国内合作制作的最大体积整体成型CFRP制件。见图6

图6：C919机尾76-81框的CFRP整体成型框段

CFRP主承力结构件，对T700,T800等高性能军用碳纤维生产，以及大型复材整体成型技术提出了更高需求。国内在这两方面又都存在短板甚至空白。因此大多数应用是探索性，合作性和阶段性的。在短期内，我们尚无法做到主承力结构CFRP的大规模应用。

对此，正确的态度应当是：学而时习之。中国人有差距，不可怕。咱学，咱追，一定有一天咱超——就像空警2000一样。可怕的是妄自菲薄和夜郎自大两种极端心态。这样的心态，距离事实很远;距离成功，那是无限远。

CFRP三个阶段的应用介绍完了，咱们再看看——

直升机、旋翼机、风扇叶片等其他方面

包括CFRP在内的先进复合材料的用量甚至更大。如V-22鱼鹰倾转旋翼机，其结构的50%由复合材料制成，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等，共用复合材料3000多千克，其中很大一部分是CFRP。V-22的整体后机身，原由9块手工铺叠的壁板装配构成，后改为自动铺丝工艺整体成型，减少了34％的紧固件，53％的工时，降低了90％废料率。自动铺丝技术同时应用于储油箱、旋翼整流罩、主起落架舱门。已经下马的“科曼奇”(RAH-66)共使用复合材料50%，欧洲最新批次的“虎”式武装直升机结构部件的复合材料用量高达80%，接近全复材结构。

国内方面：

2011年国际通用航空大会披露，我国与法国、新加坡合作研制的轻型直升机 EC120的机身、垂尾、水平安定面、尾翼、前舱等结构均由CFRP等复合材料制成。在军机方面，近年来所有的国产直升机旋翼都是多维编制的CFRP复材叶片，金属旋翼叶片已经完全淘汰。报载：复材叶片和先进旋翼机构，已经成为中国直升机整体短板下不可多得的优势点，水平基本与国外看齐——歼20、武直

10、辽宁号这些平台类的突破固然可喜，而直升机叶片这样长期困境中的点滴进步，也同样令人感动。

既然说起叶片，再唠叨两句航空涡扇发动机。

大家知道，航发的风扇叶片，大多采用钛合金。金属叶片有一个弱点，就是振动阻尼性能较差，高速旋转时容易震颤，而且不易衰减。而且如果叶片本身已经有微小裂纹，就会在这种持续震颤中，引发裂纹由内向外快速扩张，在极短时间内造成叶片断裂。这是一种比共振更加危险的振动现象。

因此，有些风扇就在每个叶片的两侧加一个凸台，专业术语称为“凸肩”。建国60周年空军成就展上披露，在歼11系列的AL31FN和WS-10A发动机进气口，都有这样的凸肩（见下图）。这样，叶片全部高速旋转时，各凸肩形连起来成了一个加强环，增加了叶片刚度。而且，叶片是依次叠加的，每个凸肩“顶”着前面一个叶片，有效降低了阻尼震颤。但这样做的后果，是凸肩增加了叶片厚度和重量，同时增加了叶片数量，降低了发动机的推重比。

图7：歼10发动机进气口的凸肩（红圈处）

而CFRP材料制成的风扇叶片，由于纤维多层交叉铺贴，材料本身“各向异性”性能优越，裂纹生长缓慢，再加上振动衰减率比钛合金快5-6倍，因此可以取消叶片凸肩。2010年珠海航展披露，GE和法国斯奈克玛为C919大飞联合研制的发动机LEAP-X，就采用了CFRP三维碳纤维编织物整体成型的风扇叶片，不但重量减轻了50%，叶片数也减少了一半。

国内发动机风扇叶片，目前只看到涡桨发动机的复合叶片，尚未见到实装涡扇发动机使用CFRP的报道。2012年珠海航展上的CJ-1000A发动机是我国第一款商用涡扇航空发动机在研产品，据称采用了CFRP宽弦复合大弯掠风扇叶片。让我们假以时日，拭目以待吧。

在2011年中国国际通用航空大会上，“天弩”、“风刃”等无人机采用了全机结构CFRP材料，V750无人直升机、小型通用航空双座飞机，也都大范围采用了CFPR蒙皮，可以看作是国内碳纤维复材在通用航空领域的有益尝试。

航空说完了，咱吧眼光再放远点，看看航天吧。

二、航天方面的CFRP应用

鼻锥和翼面：洲际导弹、宇航飞船高速再入大气层时，由于绝热压缩空气的阻力，飞行器表面的温度非常高。美国阿波罗飞船指挥舱表面的最高温度达2740℃。利用CFRP系列中的分支——碳纤维碳增强复合材料CFRC（也称碳/碳复合材料）制成烧蚀材料，热力学性能优异，防热效果好。如美国碳/碳复合材料在3837℃高温持续255秒的过程中，线烧蚀率只有0.005毫米/秒，保证了航天飞机在1650℃的环境中连续工作40分钟安然无恙。而且，碳/碳复合材料用来制造洲际弹道导弹的鼻锥和翼尖，在烧蚀过程中烧蚀率低、烧蚀均匀和烧蚀对称。这保持了航空器的良好气动外形，有利于减少非制导误差，美国的民兵-III导弹，就采用了碳/碳复材鼻锥。

喷管喉衬：固体火箭发动机推进剂燃烧时产生的高温高压和高能粒子从喷管以3.0～4.5马赫的超音速喷出，喷管承受3 500℃高温、5～15 MPa的压力和高温冲刷。美国的民兵-III导弹，第三极火箭喷管喉称采用了碳布浸渍树脂，满足3260℃工作60秒的需求。MX弹道导弹第三级发动机的喷管关键部位如外头帽前段、整体喉衬入口段和喉部下游段采用了CFRC。固定体和柔性接头绝热层采用了碳纤维填充三元乙丙橡胶(EPOM)；海军三叉戟Ⅱ型(D-5)的第一、第二级发动机采用了CFRC。

发动机壳体：导弹发动机壳体的减重，有利于提高导弹射程。美国“北极星”导弹的固体发动机壳体由金属材料到CFRP材料制造，射程提高了1倍左右。例如，“北极星”AⅠ型的两级壳体都用钢，射程仅为2 200 km；AⅡ型第一级为钢，第二级用GFRP，射程提高到2 800 km；AⅢ两级都用GFRP，射程提高到4 600 km。三叉戟Ⅱ型(Trident-Ⅱ，D-5)，固体发动机壳体采用了CFRP，射程由Ⅰ型的7 400 km提高到12 000 km，命中精度为90 m，成为当前潜射洲际弹道导弹的主要型号。而且，美国目前的新型火箭，基本连壳体都是CFRP复材制成，重量轻、体积小、射程远。

再入弹头：洲际弹道导弹的头部大面积防热材料大多采用粘胶基碳纤维增强酚醛树脂。美国Amoco、Hitco公司和白俄罗斯的斯威特朗冈斯克(СВЕТЛОГОРСК)是世界上生产粘胶基碳纤维的主要大厂。不但防热效果好，而且粘胶基碳纤维和酚醛树脂的纯度高，碱、碱土金属的含量相当低，重返大气层过程中形成的烧蚀尾流含金属离子少，不易跟踪，加强了导弹的突防和生存能力。

级间联接：美国GE公司为“阿特拉斯”导弹设计的高2.34米的联接器，除口盖之外全部采用碳纤维环氧树脂复合材料，比铝合金减重44%。

卫星结构材料：美国康维尔公司为双元“OV-I”卫星制作了CFRP的四根大梁结构，减重68%。美国”ATS”卫星的地球观测舱CFRP连接支架，长4.4米，仅重3.6公斤，可承受9顿负荷。比最好的金属支架减重50%以上，而且高低温度下的变形很小。

有鉴于此，分析了一下印度烈火-5导弹的公开报道（17.5米的长度，50吨的重量，1吨的弹头，长细尖锐的弹头外形„..）, 估计其尚不具备火箭发动机CFRP壳体，或者火箭CFRP外壳，且缺乏长程洲际导弹高弹道再入大气层所需要的粘胶基碳纤维的独立生产能力。果真如此，那么面对其航天大国和洲际导弹强国的炫耀，只能说，印度的进步是显著的，差距也同样显著。

这位说了，说人家阿三，咱自己中不中啊？呵呵，咱往下看。

国内方面：

据《合成纤维》等杂志和网上的公开报道，我国在战略武器方面的碳纤维应用情况如下：

火箭发动机壳体：中国的GFRP固体发动机壳体始于20世纪80年代，并已取得成功。“东方红-2”通讯卫星运地点发动机、“风云-2”气象卫星运地点发动机和“长征-2E”发动机的壳体都采用了GFRP来制造。我国研制成功的大型(壳体直径1 402 mm，长2 058 mm)SPTM-14发动机与长二捆火箭配套，成功地将模拟卫星送入轨道，标志着我国大型GFRP壳体进入实用阶段。之后，我国研制成功的EPKM-17上面级发动机壳体(直径1700 mm，长1 874 mm)与长二捆大推力火箭配套，于1995年末成功地将“亚洲二号”卫星和“艾克斯达一号”卫星送入36 000 km的太空。

火箭导弹壳体：我国研制CFRP壳体也取得了长足进步。1990年代后期，进行了T300固体火箭发动机壳体的基础试验、壳体结构强度试验、点火试车等全程考核，完成了12K T700 CFRP壳体结构强度试验。第一个用在型号上的是“开拓者一号”固体小运载发动机的第四级(直径640 mm)，并于2003年9月飞行成功。实现了CFRP壳体的历史性跨越。目前，T800 CFRP壳体预研试验已经展开。

喷管喉衬：我国研制的C／CFRP喷管于1989年点火成功，出口壁厚最薄处仅为0.9 mm的大尺寸(Ф500～2 000 mm左右)喷管显示出优异的综合性能。

再入弹头：根据《东华校友》“创制国防尖端材料的科研先锋——记上海市劳动模范潘鼎教授”一文报道，2001-2003上海劳动模范，东华大学材料学教授、博士生导师潘鼎教授，主持了“300Kg/年粘胶基碳纤维扩试线”这一国家级重大军工科研项目，用不同于国外原料的国产棉纤维素原丝制成了填补国内空白、产品质量达到国际先进水平的高纯度航天级粘胶基碳纤维，成果无偿转给中科院山西煤化所，进行放大生产。课题组还制定了“ＧＪＢ３８３９－２０００”国家标准，形成了具有独立知识产权、世界上独一无二的，用棉纤维素粘胶帘子线制备碳纤维的技术及应用设备。该技术和产品荣获2003国家科学技术进步二等奖，解决了DF-31导弹的定型难题，并使我国已成为美俄之外，能够独自掌握这一产品及其生产技术的世界第三大国。

卫星结构

据中国质量新闻网报道，我国2011年发射的嫦娥二号探月卫星，其定向天线的重要支撑部分，定向天线展开臂，是由哈尔滨玻璃钢研究院研发的CFRP复材，总重量仅500余克，较使用铝合金材质减轻近300克，但承重能力毫不逊色。

有朋友说，300克算什么啊？呵呵，要知道，卫星的减重，是以克计的，少1克，能节约500克燃料。少300克，卫星就可以多带一个相机或望远镜，多完成一些任务。再看看减重比例：40%，还是很有效的，呵呵。

总结

至此，关于碳纤维及其复合材料在航空航天领域的发展浅析系列文章，就此打住了。

有朋友问：你说了这么多，那么在碳纤维复材的航空航天应用上，中国在世界上究竟处于什么位置呢？

这个问题，兵器迷可回答不了，咱们借用中国材料大师师昌绪老先生在2010年的评论：目前中国的CFRT应用，大约处于西方发达国家1980年代的水平。

从上面的介绍可以看出，中国的碳纤维复材，在军用领域紧追慢赶，亮点不少。但在民用航空领域的发展，一直大幅度落后于美欧日等国家，直接原因是成本太高，比要替代的铝合金贵的多，甚至比钛合金还要贵。

这其中的间接原因是多方面的。

首先，战略军用小丝束产品，得益于两代“核心”领导的重视，T300军用碳纤维的完全国产化，使得次承力结构军用构件有较快的发展。而民用大丝束领域的政策扶持相对滞后许多。实际上，国家当年资源人力都有限，为了救急，集中精力搞军用小丝束，是完全合理的。但是，从长远来看，通用、民用产品的市场空间更大，是碳纤维行业持久发展、持续创新的厚土沉基。在军品已经打开突破口，经济发展、国力增强的今天，不要说大丝束，即便是小丝束产品，也应当更多的从市场和民用角度，拓宽其行业基础，以军带民、以民养军、分苗嫁接、开枝散叶，形成军用技术和民用产业的良性互动。这是政策层面的原因。

第二，国内十数家碳纤维生产厂家，群雄并起，看似热闹，实际上有很大一部分并没有掌握核心技术。要么是关键设备、关键材料需要进口，要么是工艺参数和质量控制没有吃透。甚至，很多企业到现在，PAN原丝生产还要高价进口东丽公司的DMSO溶剂，属于照猫画虎形的“自主生产”。多数厂家的产品质量批次差异性较大，缠结、断丝时有发生，合格的PAN原丝生产量不过100吨/年，达不到基本规模经济水平。产业布局和关键技术的把握，都有很大的提升空间。这是PAN原丝和碳纤维生产层面的原因。

第三，在预浸料自动铺叠技术和整体成型工艺，已经成为发达国家成熟制造技术，但对于中国航空航天碳纤维复合材料领域，依然是工业化生产中最大的一块短板，甚至空白。即便有了引进设备，我们对复材的物理性质，力学性能研究不透，对加工参数掌握不足，知其然不知其所以然，直接用国外的软件设计复材方案，导致CFRP复材的产量低、价格高、质量不稳定和创新能力低下。军用部件不计成本，也就罢了，而对商业化批量生产和应用，这就是一个重大的阻碍，很多厂家为此畏难而退，裹足不前，干脆直接用已经摸透的金属材料做更有把握和更经济。这是复材生产层面的原因。

第四，航空航天器的设计，需要结合复材性能特性，加强整体设计的思想，而不是简单的替换原金属部件。举一个简单的例子，国内某型军机的平尾改用CFRP复材后，确实轻了不少，但却因此改变了全机力矩平衡，需要通过配重进行调整，结果整机减重效果并不理想。当然，逐项替代也是一种有效的验证步骤，但有一种理念需要强调：局部优化不代表整体优化。在复合材料应用愈加广泛的今天，顶层设计，全局优化，才能最大化的发挥复材的最大功能效用和经济效用。这是设计思想层面的原因。

写至此处，兵器迷觉得笔端异常沉重——回顾碳纤维复材的发展历程，我们再一次感受到美国的强大和日本的扎实。这种强大是深入骨髓的，这种扎实是无所不在的。在碳纤维这个领域，他们傲然前行，卓越领先。

这里面有着深层次的原因。如果不能正视这种真正的领先，反而意淫着多少年GDP赶上美国就扬眉吐气了，那么GDP第一长达上百年的大清朝颓然崩坍的历史，就可能重演。如果不能从长效机制和基础研究上练真功夫，那么我们今天的进步就可能是局部甚至短暂的。

当然，承认现实不代表低头认输。中国强大过数千年，也落后过数百年，并且已经追赶过数十年。虽然领跑者的数量和差距正在缩小，但学习和追赶仍将是我们这个民族今后很长一段时间的常态。怀着这样的心态来看问题，美日的领先和强大，就能够成为中国崛起成型过程中最好的热压罐——我们今天的挫折和困难，就像碳纤维和复材形成过程中的高温和预浸料。忍辱负重、脚踏实地、科学精心地调制这一痛苦和严苛的过程，是中国军工，乃至中华民族走向真正强大的必经之途。

期盼着中国制造碳纤维的千丝万缕，胜金克铁；

憧憬着中国碳纤维复材制造的航空器，自由高飞。

第五篇：航空航天讲座

听王巍教授关于航空航天讲座有感

12月7日，我们聆听了沈阳航空航天大学王巍教授关于航空航天的讲座。王教授就航空航天的基本概念，分类，应用，发展概况等方面进行了详细的介绍，使同学们了解到了更多与航天航空有关的知识。

“航空”与“航天”有哪些区别呢？这两种科学的基础理论都是空气动力学，区别在于所研究的环境不同。航空所研究的范围是地球周围稠密大气层内环境，包括飞机、气球、飞艇、直升机等飞行活动；而航天的范围则是大气层外环境。了解了航空航天的概念，王老师又为我们介绍了常见航空航天器的分类。航空器可分为轻航空器和重航空器。其中轻航空器包括气球、飞艇两种飞行器。而重航空器则又可分为固定翼（飞机、滑翔机）、旋翼（直升机、旋翼机）以及扑翼机（仿生类）三种。这时，同学们都产生了疑问：“直升机和旋翼机有什么区别呢？”原来直升机是发动机带动的，旋翼机是气流驱动的。这个专业而简单的答案给我们留下了深刻的印象。

航天器是根据是否载人来分类的。无人航天器有人造地球卫星和空间探测器两类，载人航天器有载人飞船、航天站和航天飞机三类。在老师的介绍中，我在头脑中把我国航天事业的发展与这些飞行器类型一一对上了号。东方红一号、嫦娥系列、神舟五号、天宫一号„„原来，我们引以为自豪的中国航天事业就是这样一步步发展的。

接下来，两幅艺术作品又吸引了同学们的兴趣。这便是东西方古代的飞行传说《嫦娥奔月》和《代达罗斯父子逃离克里特岛》。《嫦娥奔月》的故事已经是脍炙人口了，而雅典的飞行神话我才是第一次了解。天才的工匠代达罗斯为了带儿子逃离克里特岛用蜡制作了可以使人飞行的翅膀，代达罗斯的儿子不听父亲的劝阻，越飞越高，翅膀被太阳晒化了，落入了大海而死。在这个神话中我们不仅看到了古人一种追求自由的精神，更感受到了像鸟儿一样飞翔这一奇妙的幻想对古人巨大的吸引力。正是古代的人这种不断的幻想和追求，才促使人们不断地去探索自然的奥秘、发展科技，使飞天的梦想成为现实。

听过这次演讲之后，我对我国的航空航天工业更加感兴趣了。我国从1970年第一颗人造地球卫星“东方红一号”到2012年第一个空间实验室“天宫一号”，这其中走过了多少代科研人员付出多少汗水和心血的奋斗历程。从2005年开始，神舟五号，中国人飞上了太空；神舟六号，多人多天航空任务；神舟七号，宇航员出舱作业；神舟八号，完成首次空间交会对接任务；神舟九号，中国女航天员上天，首次载人空间交会对接，为空间站科研工作拉开了序幕„„据报道，神舟十号也将于2013年6月飞上太空，进行进一步空间站实验。这仅仅是最近几年中国航天事业的发展，却经历了一次又一次里程碑式的进步。相信在不久的将来，我国的航天事业一定能雄踞于世界之首，见证中国的繁荣和强大！