树脂基复合材料在航空航天的应用

    采用复合材料可实现武器系统的轻量化，从而提高快速反应能力，并在高威力、大射程、精确打击等方面起到巨大作用，尤其在以航空为主的国防工业已得到普遍应用。目前采用复合材料制造的零部件现已成为航空、航天、兵器、船舶等国防产品结构的主要组成部分。

 

 

    为满足新一代战斗机高机动性、超音速巡航及隐身的要求，进入20世纪90年代以后，美国战机无一例外都大量采用了复合材料机构，用量一般都在20%以上，有的甚至高达35%，结构减重效率达30%。目前世界先进军机中复合材料用量占全机结构重量的20%-50%不等，主要应用复合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、机翼、中前机身等。

    民用飞机更加考虑飞机的安全性和经济性，因此在复合材料的应用上比较谨慎。但随着复合材料技术的进步和制造成本的降低，20世纪70年代开始，民机也逐步开始使用复合材料部件。

    与军机类似，民机复合材料的部件也从小承力构件向主承力构件发展。因为材料的选择将直接影响到飞机的购买费用（原材料费用和加工成本）、燃油费用（飞机重量）和维护费用（检查和维修），所以在民用飞机的设计当中，对材料的选择非常关键。民机的选材将直接影响民机的运营费用。用树脂基复合材料制造飞机部件比传统航空材料通常减重20%-30%，使用和维护成本比金属材料低15%-25%。

 

除了费用以外，安全因素也是民用飞机设计选材时必须考虑的重要因素，任何一种新材料在民用飞机上的应用都是漫长的（常为5-10年）和昂贵的（为常用材料的1-5倍）。但是，航空安全对材料性能的苛刻要求又促使先进材料的发展，迫使工业界采取最先进的制造技术来提高材料的性能和降低成本。民用飞机中复合材料部件的使用率一直在不断增加。

 

 

 

    直升机对复合材料应用非常显著。军用、民用和轻型直升机均大量应用碳纤维复合材料。复合材料用量已达到结构重量的40%-60%。例如，美国武装直升机科曼奇（RAH-66）的复合材料使用量为50%；欧洲NH-90直升机的复合材料使用量达到80%，接近全复合材料结构。

 

    V-22旋翼飞机是一种新型的飞行结构，可以垂直起降，倾旋转翼后又能高速巡航，复合材料使用量为51%，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等均为复合材料制成，也是一个全复合材料的飞机。

 

 

    随着航空发动机性能不断提高，特别是质量不断减轻，在依靠整体叶盘、整体叶环、空心叶片和对转涡轮等新颖结构的同时，还将越来越多的依赖于高比强度、低密度、高刚度和耐高温能力强的先进复合材料。经过多年的实验和经验积累，航空发动机上越来越多的部件采用复合材料部件，而且各国纷纷都向这个方向努力。

 

 

 

    纤维增强复合材料具有放热、隔热、耐高温等特性，广泛的应用于航天工业上。例如，在防热方面，高强度玻璃纤维树脂基复合材料可以用作多管远程火箭弹和空空导弹结构材料和耐烧蚀隔热材料，实现了喷管收敛段、扩张段和尾翼架整体化，大大减轻了武器质量，提高战术性能。

 

 

    在卫星和航天器上，美国和欧洲的卫星结构质量不到总质量的10%，原因就是广泛使用了先进复合材料。目前，卫星的微波通信系统、能源系统和各种支撑结构件基本上实现了复合材料化。

 

 

    舰船复合材料技术也有迅速的发展，已基本达到了实际应用水平，简化制造、降低成本成为当前技术的重点。美国海军装备已经大量应用复合材料，例如“福特”号航母、“弗吉尼亚”级潜艇、DDG1000驱逐舰等。英国海军的45型驱逐舰也安装了夹芯结构复合材料的综合桅杆，具有隐身、减少天线维护等；英国“机敏”级潜艇泵喷推进器的导管也采用了纤维增强泡沫夹芯复合材料。

 

    先进树脂基复合材料在航空工业中的应用是技术推动和需求牵引双重作用下的结果。一方面随着材料性能提高、工艺改进、成本降低等方面取得的重大进展，先进树脂基复合材料在航空工业中的应用更加广泛，从而提高了军民用飞机及发动机的技术性能和经济性能；另一方面新一代军民用飞机及发动机的发展又对材料性能提出了更高的要求，迫使工业界采取最先进的设计和制作技术来提高材料的性能和降低成本，从而又促使先进树脂基复合材料的发展。