航天复合材料

用于航天飞行器的高性能的新材料体系

航天复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异构的材料通过专门成型工艺复合而成的一种应用于航天飞行器的高性能的新材料体系，复合的目的是要改善材料的性能，或使材料能满足某种特殊的物理性能（如光、电、热、声、磁等）要求。复合材料按使用要求大致分为结构复合材料和功能复合材料，在航空航天领域，和今后 20～30 年的发展主流是用于制造空天飞行器结构件的碳纤维增强树脂基复合材料（简称 CFRP），在此基础上发展结构/功能一体化和智能化结构复合材料，以满足越来越先进的空天飞行器的要求。

概况

复合材料是通过科学的设计和合理的工艺，把两种以上不同材料组合成一种新型材料。

复合材料的设想是第二次世界大战中提出来的。在大战中，正义的国家为打败侵略者使用了各种可能的技术。各种技术在战争中都受到了实际的检验。一个明显的结论是一切武器所用的材料，既要具有高强度又要轻巧，既可靠牢固，又具有多功能。这就对材料提出很高的要求，其出路之一是发挥单一材料的优点，把两种或多种材料组成复合材料。例如战争新材料既具有甲的高强度优点，又具有乙的轻巧灵活的长处，这自然是人们所期待拥有的新材料。

在航空航天领域，若用轻质高强度的复合材料制作飞行器，则重量会大幅度减轻，耗费能源就少，航程就可以更长；发射航天器所需的火箭动力将大为减小；利用火箭发射导弹，若各级火箭壳体都使用复合材料，则射程将从中程变为远程。正因为复合材料具有航天技术对材料高要求的独特优点，所以复合材料首先在航天技术中得到有效的应用。

树脂基复合材料

树脂基复合材料是以树脂为基质加入增强性能的粒子状材料或纤维状材料组成新型的复合材料。

在聚乙烯、聚丙烯及尼龙等树脂塑料中加入滑石、碳酸钙、碳黑等粒子状增强材料，可以提高复合材料的刚性、强度和耐磨性等。这种复合材料已用于汽车内的零部件制作及食品包装。使粒子形成中空的小球体而加入塑料基质中的实验已获得成功，这可以使材料轻巧和具有保温性能。

纤维状增强塑料有很好的发展前景。早期采用玻璃纤维，近年来采用碳纤维、硼纤维和芳香族聚酰胺(芳纶)纤维。

复合材料首先在航空航天技术和军事上得到应用。如军用飞机上硼纤维增强环氧树脂作飞行舵、水平安定面、机翼后缘等。美国中程潜艇对地导弹北极星A一2的第二级固体火箭发动机壳体用玻璃纤维增强环氧树脂缠绕制件，比钢质壳体轻27%；而后又用高性能玻璃纤维取代普通玻璃纤维，使北极星A．3的第一级火箭壳体重量比钢壳体减轻50%，第二级也相应减轻，终于使北极星A。3导弹的射程由1700km增加到4500km。

碳纤维增强树脂复合材料已在导弹、航天飞机和卫星上应用，效果优秀。高硅氧玻璃纤维增强酚醛树脂和碳纤维织物缠绕增强酚醛树脂在火箭头部作为蚀烧防热材料，有着良好的效果。

金属基复合材料

利用纤维增强金属组成复合材料的研究始于20世纪60年代，应用结果显示出它比树脂基复合材料更好。为了方便引用一个符号：A/B，其中A代表增强纤维，B代表基质材料，如硼/铝，为硼纤维增强铝基复合材料。

硼/铝、硼/钛、碳化硅/铝、碳化硅/钛等复合材料已在飞机和航天飞机上得到应用，具有耐高温、高强度、良好的导热性、高电导性、不吸湿和不老化等优点，是树脂基复合材料所不及的?树脂基复合材料通常只能在350℃以下使用，更高温度的环境就无能为力了。金属基复合材料可以在350～1200℃下使用，适应了迅速发展的高技术领域的需求。美国正在执行一项国家航空航天飞机(NASP)计划，其中金属基复合材料将成为飞行器各种构件的主要材料。

碳纤维增强基复合材料，主要用于洲际导弹或远程导弹头部烧蚀防热锥。碳纤维进行三方向或多方向编织，作为复合材料的增强体，然后用化学淀积或浸渍沥青的方法填充织物空隙，最后在一定压力下高温石墨化而成。用于火箭发射、导弹头锥、火箭喷管、航天飞机构件等。

导弹发射后穿过大气层进入外层空间，当到达目标上空后当然要再次进入大气层，这时导弹头周围将产生高温等离子体，形成一个鞘体包围着导弹头，使电波难以通过，造成“再入通信中断”，得不到遥控数据。研究人员在导弹头弹头烧蚀防热复合材料层中加入亲电子材料(如泰氟隆)，从而减少电子密度，部分解决了“再入通信中断”问题。

在航天技术领域设计师们曾提出“为减轻1g重量而奋斗”，复合材料研究的不断进展，无疑对此做出了贡献。

陶瓷基复合材料

陶瓷具有高硬度、高强度、耐高温和耐腐蚀等十分突出的优秀性能，但它又有脆性高的缺点，这限制了它的广泛应用。工艺上采取陶瓷纤维加入陶瓷基质的办法，来增大它的韧性，取得有效的效果，这样既达到了增加韧性又不降低强度的目的。已经可以满足1200~1900℃高温环境下使用的要求。纳米复合陶瓷正处于积极研究开发之中，应是更具有特色的又一种新型复合材料。

陶瓷基复合材料的研究是从20世纪50年代开始的。60年代末和70年代初其研究有了新的进展。尽管陶瓷基复合材料的研究还不很透彻，但已得到应用，已有的研究工作表明这类材料具有很大的发展潜力。现已应用的陶瓷基复合材料有碳纤维、玻璃纤维、SiC纤维、Al2O3纤维、Si3N4(赛龙)纤维等。

只有少数陶瓷复合材料达到了实际应用水平，大多数尚处在实验室研究阶段，但具有良好的应用前景。在高温材料方面，陶瓷基复合材料可用来制作防热板、发动机叶片、火箭喷火喉衬以及导弹、航天飞机上的其他零件。

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