2003年，復(fù)合材料工業(yè)獲得了500億美元的收入，其中17%屬于航空航天應(yīng)用。先進樹脂基復(fù)合材料以其突出的重量輕、強度高、耐介質(zhì)、耐高溫、耐沖擊等性能，在航空航天工業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。先進復(fù)合材料的高成本是影響其發(fā)展速度的關(guān)鍵。高性能、更低成本將成為復(fù)合材料進一步發(fā)展的重要趨勢。
樹脂基復(fù)合材料是以熱固性或熱塑性樹脂為基體，以碳纖維等材料為增強纖維，經(jīng)過特殊工藝加工而成的一種先進的復(fù)合材料。它具有重量輕、強度高、耐介質(zhì)、耐高溫性能好、耐沖擊性能強等一系列突出的特點，在日益發(fā)展的航空工業(yè)上廣泛應(yīng)用。為適應(yīng)新一代飛機對高性能材料的需要，各發(fā)達國家對先進樹脂基復(fù)合材料的研究和開發(fā)都投入了大量的人力和物力，近幾年來，在材料性能提高、工藝改進、成本降低等方面取得了重大的突破和發(fā)展。
表1 先進戰(zhàn)斗機使用復(fù)合材料情況
先進復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用
隨著飛機性能的不斷提高，作為現(xiàn)代飛機主要結(jié)構(gòu)材料之一的復(fù)合材料的發(fā)展特別引人注目。目前，復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用已由小型、簡單的次承力構(gòu)件發(fā)展到大型、復(fù)雜的主要承力構(gòu)件；從單一的結(jié)構(gòu)件發(fā)展到結(jié)構(gòu)/吸波、結(jié)構(gòu)/透波、結(jié)構(gòu)/防彈等多功能一體化結(jié)構(gòu)。目前，復(fù)合材料在高度輕量化直升機上的用量已達結(jié)構(gòu)重量的70%-80%，在先進戰(zhàn)斗機上的用量大約是結(jié)構(gòu)重量的30%-40%。復(fù)合材料所占機體結(jié)構(gòu)重量的比例已成為衡量飛機先進與否的重要標志。表1給出了部分新型戰(zhàn)斗機上復(fù)合材料的應(yīng)用情況。
實踐表明，用樹脂基復(fù)合材料制造的飛機部件比傳統(tǒng)航空結(jié)構(gòu)材料通常減重20%-30%，使用和維護成本比金屬材料低15%-25%。先進樹脂基復(fù)合材料還為飛機隱形技術(shù)提供了材料基礎(chǔ)，通過合理的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計，賦予飛機隱形功能，可使雷達反射截面縮小，吸波性能提高。先進樹脂基復(fù)合材料還可用于制造飛機的“機敏”結(jié)構(gòu)，使承載結(jié)構(gòu)、感測器和操縱系統(tǒng)合為一體，從而可以探測飛機狀態(tài)和部件的完整性，自行調(diào)節(jié)控制部件，提高飛機的飛行性能，降低維修費用，保證飛行安全。專家預(yù)測復(fù)合材料將成為21世紀航空結(jié)構(gòu)的支柱性材料。
表2 先進復(fù)合材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 |
近年來先進樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展主要圍繞提高工作溫度、改善濕/熱性能、增大斷裂韌性、降低制造成本等幾個關(guān)鍵技術(shù)進行，其現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢見表2。
提高耐熱性
復(fù)合材料用于機翼、機身等主承力結(jié)構(gòu)時，因高速飛行空氣動力作用使這些部位的表面溫度高達150℃。美國高速民用運輸機（HSCT）設(shè)計的最大時速為2575公里（1600英里），表面溫度達177℃；太空梭結(jié)構(gòu)件耐熱溫度需超過300℃；飛機發(fā)動機部件的溫度更高。這些都要求復(fù)合材料在高溫下具有良好的力學(xué)性能。復(fù)合材料的高溫性能主要由樹脂基體決定。
環(huán)氧復(fù)合材料具有一系列優(yōu)異性能，但吸濕量大，因此其工作溫度在130℃以下。雙馬來
亞胺（BMI）復(fù)合材料的耐熱和耐濕熱性均優(yōu)于環(huán)氧復(fù)合材料，其連續(xù)工作溫度可達230℃。 隨著材料技術(shù)不斷發(fā)展，各種先進樹脂基復(fù)合材料在航空工業(yè)用量持續(xù)增加。 |
航空發(fā)動機復(fù)合材料用高溫樹脂以聚
亞胺（PI）為基礎(chǔ)。據(jù)稱，現(xiàn)有高溫樹脂復(fù)合材料的工作溫度已涵蓋了288℃、316℃、343℃和371℃等溫度等級，但上限工作溫度尚無法超過500℃。提高沖擊韌性
提高航空用結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的沖擊韌性一直是一個重要的研究課題。復(fù)合材料的抗沖擊性能主要依賴于樹脂的交聯(lián)密度?？赏ㄟ^改變樹脂和固化劑結(jié)構(gòu)，增加柔性鏈段，或利用高韌性、耐高溫的橡膠或熱塑性樹脂增韌，提高抗沖擊性能。這樣，既不犧牲預(yù)浸料的工藝性和復(fù)合材料的耐熱性，又賦予材料類似于熱塑性樹脂的抗沖擊性能。
波音公司確定高韌性和耐濕熱復(fù)合材料的開發(fā)目標是，沖擊后壓縮強度（CAI）值大于320Mpa，濕熱壓縮強度大于1000Mpa。
國內(nèi)在樹脂增韌方面也做了大量研究工作，如北京航空材料研究院研制的2285改性環(huán)氧樹脂（T300/5228）復(fù)合材料的CAI值達227Mpa和290Mpa，達到了高韌性樹脂的基本要求，接近或相當(dāng)于國外同類材料的韌性水平。
表3 美國低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研究開發(fā)計劃 |
對航空用高性能復(fù)合材料，過去重視性能，不考慮或較少考慮成本。隨著冷戰(zhàn)結(jié)束，各國國防開支減少，迫使制造商和使用者考慮降低成本，為此，復(fù)合材料的低成本技術(shù)受到極大重視。
復(fù)合材料成本中原材料成本約占20%，制造成本占70%，其馀10%為質(zhì)量控制、性能檢測等。因此，降低復(fù)合材料成本的重點在制造工藝，其次是原材料成本。
美國對復(fù)合材料低成本技術(shù)研究最早，制定了低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)開發(fā)計劃，提出了降低成本措施和目標。
就飛機而言，目前金屬結(jié)構(gòu)成本大約為2700元/千克-5500元/千克，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為6400元-9100元/千克，約是金屬結(jié)構(gòu)的2倍。21世紀樹脂基復(fù)合材料的目標成本是1800元/千克-4600元/千克。為達到這個目標，研究工作主要集中在以下幾方面：
1.降低原材料成本
1 降低碳纖維（CF）成本。CF價格昂貴，在材料成本中占有很大比重，降低其價格是降低原材料成本的重要措施。
2 開發(fā)低溫固化、高溫使用的樹脂和預(yù)浸料。
3 開發(fā)長壽命的預(yù)浸料。
4 使用混雜纖維復(fù)合材料。
2.降低制造成本
復(fù)合材料降低成本的關(guān)鍵是制造工藝。先進復(fù)合材料傳統(tǒng)的成型方法多采用手工鋪層的熱壓罐工藝，這種工藝的缺點是手工勞動量大、工時費用高、原材料利用率低、熱壓罐設(shè)備投資大、成本高。現(xiàn)已經(jīng)研發(fā)出一系列低成本制造技術(shù)，如：纖維束自動鋪放工藝、樹脂傳遞模塑(RTM)和樹脂膜熔浸(RFI)工藝、新的非熱壓罐固化工藝、一體化的整體成型技術(shù)等。
復(fù)合材料形成產(chǎn)業(yè)并首先應(yīng)用的領(lǐng)域就是航空工業(yè)，航空工業(yè)的發(fā)展和需求一直對復(fù)合材料的研究起著推波助瀾的作用，同時復(fù)合材料的飛速發(fā)展又為新型飛機的設(shè)計和制造提供了更大的發(fā)展空間。
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