纺织复合材料在航空航天工业上的应用

　　在现代材料科学与技术的发展历程中，航空航天用材料一直扮演着先导性的角色，材料的进步不仅推动飞行器本身的发展，也带动了地面交通工具的进步，而发动机材料的发展则推动着动力产业的推陈出新。可以说，航空航天材料反映了结构材料发展的前沿，代表着一个国家结构材料的最高水平。

复合材料是由两种或两种以上的材料按要求组合成的一种具有成份中任何单一材料所不具备的特性的新材料。先进复合材料(AdvancedComposite Materials)是指可用于主承力结构或次承力结构。刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。

　　航空航天工业对复合材料的发展提供了最初的驱动力，先进复合材料在航空、航天中的位置已经获得认可。尤其是对于军用飞机，先进复合材料用量的多少在很大程度上决定了该机的先进性。

　　先进复合材料按照基体可分为：
　　树脂基复合材料(Resin Matrix Composites，简称RMC)：
　　金属基复合材料(Metal Matrix Composites，简称MMC)：
　　陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites，简称CMC)。
　　而按照复合材料中增强体的形态，先进复合材料可分为：
　　颗粒增强复合材料(Particulate Reinforced Materials)；
　　纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Materials)；
　　纺织结构复合材料(Textile Structural Composites，简称TSC)等。

　　其中，纺织结构复合材料将纺织技术和现代复合材料成形技术相结合，有效地克服传统单向和层合复合材料的面内力学性能不均匀、损伤容限低等缺点。
　　纺织复合材料(Textile Composites)的概念从应用上来讲应是由机织、针织、编织、缝纫等纺织技术制造增强材料预成形体，再经树脂传递模塑(RTM)等复合材料液体成形工艺制造的一类复合材料，而纤维增强复合材料是传统的复合材料，通常不在纺织复合材料讨论的范围内。但上述概念至今尚无确切的定义与划分，人们普遍认为凡是复合材料的组分中含有纤维、纱线或织物，皆统称为纺织复合材料。现在主要使用的复合材料通常是纺织复合材料。

　　1 航空航天工业对材料的要求

　　航空航天飞行器的工作条件十分复杂。就飞机而言，军用飞机要求提高其机动性、近距格斗和全天候作战能力；民用飞机则要求安全性、可靠性、舒适性和经济性等， 因此对航空材料的主要要求是高比强、抗疲劳、耐高温、耐腐蚀、长寿命、低成本。而对航天器包括火箭、回收式卫星、飞船、航天飞机和空间站来说，它们与飞机的工作环境显著不同，如高真空、冷热交变、高能辐射、原子氧剥蚀等。先进复合材料自身所具备的比强度、比刚度大、抗疲劳性好，可设计性强等特点，正适用于航空航天对材料的要求。

　　2 纺织复合材料在航空上的应用

　　先进复合材料轻质、抗疲劳、耐腐蚀等特性已在航空结构中发挥了重要作用。人们已认识到复合材料是使飞机结构性能提高的最有效和最易实现的途径，但是居高不下的成本使航空工业界难以接受。“低成本，高性能”是目前复合材料技术的主要发展方向，“经济适用”材料备受重视。
　　在已有主要材料体系基础上开发先进的低成本制造技术是当今复合材料界的共识，如缝编．RTM 技术、RFI技术、电子束固化技术等。
　　现阶段航空工业使用的纺织复合材料主要是树脂基复合材料，包括热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。热固性树脂中最常用的是环氧树脂和双马来酰亚胺树脂，常用增强材料为碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等。环氧树脂综合性能好，粘附力较大，可在120℃下长期使用，改性后的环氧树脂可在更高温度下使用；双马来酰亚胺的耐热耐湿性能突出，粘度低，工艺性好。
　　纺织复合材料在飞机上的使用部位大致包括：舱门、翼梁、减速板、尾翼结构、油箱、副油箱、舱内壁板、地板、直升机旋翼桨叶、螺旋桨、高压气体容器、天线罩、鼻锥、起落架门、整流板、发动机舱(尤其喷气式发动机舱)、外涵道、座位与通道板等。
　　第四代战斗机中，虽然金属材料在整个结构材料中占主导地位， 但复合材料尤其是热固性树脂基复合材料的比重明显上升，高达20％～40％。如F．22战机热固性树脂基复合材料占全机结构重量25％左右，F-35战机为36％，欧洲战机EF2000竟高达43％。
　　在热固性复合材料中，根据不同的使用条件，环氧基和双马基的复合材料的比重又各不相同。F-22设计巡航速度高达2．0Mach，因此对结构耐热性要求高，较多采用双马基复合材料；而F-35设计最大速度为1．5Mach左右，所产生的气动加热在环氧基复合材料承受范围内。在F-22中环氧基复合材料占结构总重量的7％，双马基占18％；但在F-35中，双马基只占4％ ，环氧基高达32％。F-35只在部分机翼及尾翼上用双马复合材料，而F-22 的几乎整个外部表面为双马基复合材料，环氧基复合材料只用于内部结构。在EF2000上双马用于机翼及尾翼，环氧用在机身上。
　　热塑性树脂主要包括PEEK、PI、PPS等，具有韧性好，耐疲劳等优点。热塑性树脂基复合材料在航空上常作为次承力构件，如用作舱门、起落架护板等。
       直升机上也已大量使用主承力和次承力复合材料构件。如主旋翼桨叶、尾梁、尾桨和机身蒙皮等。使用复合材料具有轻质高强、可维护性好等特点，许多民用飞机使用大量层合板和模压构件，以金属或树脂浸渍纸蜂窝为芯材的复合材料蜂窝夹层结构。
　　树脂基复合材料还可以作为功能材料使用，如F-22战机的雷达罩采用了高性能的透波复合材料，纤维为S-2玻璃纤维，树脂为美国Dow化学公司开发的Tactix Xu71787氰酸酯树脂。F-35的雷达罩采用S-2 增强的双马树脂基复合材料，EF2000则用的是BASF公司生产的5575．2氰酸酯树脂，阵风的雷达罩采用了Kevlar纤维增强复合材料。

　　3 纺织复合材料在航天上的应用
　　正是由于空间技术的发展，纺织技术的潜力被复合材料界所利用。为了获得最佳力学性能，新的纺织结构，如机织、编织和针织织物逐渐被采用。纺织结构复合材料可明显改善层间强度和损伤容限，并提供复杂结构整体成形的可能性，在复合材料界特别是航天复合材料工业中已占有很重要的地位。
　　航天要求轻质、高剐度的结构，避免屈曲发生，这些要求与航空结构是一致的，但航天环境与航空环境具有很大差别，典型的如原子氧、高能辐射、冷热交变，这些使得航天材料与航空材料存在一些差别。树脂、金属和陶瓷基复合材料在航天工业都具有广泛的应用，增强纤维有碳纤维、芳纶、硼纤维、碳化硅等。
　　对于树脂基复合材料来说，特殊的太空环境如原子氧和射线会使树脂基复合材料发生破坏，这种影响在低轨运行时尤为严重，所以必须采用相应的防原子氧剥蚀的措施，如使用保护涂层(金属涂料、全氟聚合物等)。
　　国内外都有报道，对现有树脂进行改性或使用新的树脂来提高树脂基复合材料抵抗原子氧和射线侵蚀的能力。金属基复合材料具有一般金属难以达到的高比强度、高比模量，还具有树脂基复合材料无法达到的耐高温、不吸湿、不放气、不可燃等优点，尤其是具有高度热稳定性和温度交变稳定性，是极理想的航天器结构材料。
　　总的来看，航天用金属基复合材料大多数仍为纺织结构复合材料，如对于稳定的抛物面天线、太空镜光学系统平台等， 材料的尺寸稳定性至关重要，常采用金属基复合材料，其常使用的基体有铝、钛、金属间化合物，通常采用纺织结构预制形体复合成形工艺制造， 属于纺织结构复合材料范畴。而陶瓷基复合材料具有耐高温、抗氧化、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等特性，潜在的应用主要在于高温结构材料， 但其致命的缺点 — 脆性、影响了它在结构上的应用。
　　飞船是发展载人航天技术的先导工具，而返回舱是载人飞船的核心部分，载人飞船返回舱再入大气层初始速度为7.7km/s左右，经历苛刻的气动加热，表面将产生高温， 因此良好的热防护是一项至关重要的技术。酚醛树脂具有良好的力学和耐湿热性能，尤其是耐瞬时高温烧蚀性能优异，广泛应用于航天工业中易于烧蚀的复合材料基体，碳纤维/酚醛复合材料是重要的耐烧蚀材料。现代火箭也大量使用复合材料，如使用先进纤维缠绕制造复合材料壳体、火箭喷管和再入保护壳体，常使用碳纤维／酚醛材料进行热防护，并已使用碳/碳复合材料，这种碳 复合材料通常是由碳布采用烧结或化学汽相沉积法来制造。

4 结语
　　航空材料的发展在航空航天工业中占有极其重要的位置，“一代材料，一代飞行器”是航空航天工业发展的生动写照，也是航空航天材料带动相关领域发展的真实描述。随着纺织机械与工艺的发展，纺织复合材料作为一类新兴的先进材料，在航空航天工业中的应用必将越来越广泛。