航空材料是航空裝備發(fā)展的基礎(chǔ)和支撐，一代材料支撐一代裝備的發(fā)展，一代裝備牽引一代材料的進步。二代戰(zhàn)斗機用結(jié)構(gòu)材料主要是二代耐蝕鋁合金，用量超過 85wt%，鋼用量約 5wt%，其他材料約 10wt%。三代戰(zhàn)斗機用結(jié)構(gòu)材料主要是三代高強高韌和中強耐腐蝕鋁合金，用量約65wt%，鋼用量約 5wt%，鈦合金約 10wt%，復(fù)合材料 10wt% 以上，其他材料約 10wt%。四代戰(zhàn)斗機最大的特點是高機動、高隱身和超視距探測攻擊。高機動需要減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，要求大量應(yīng)用高韌性碳纖維復(fù)合材料和鈦合金；高隱身和遠(yuǎn)距離探測特性要求應(yīng)用高性能結(jié)構(gòu)吸波和結(jié)構(gòu)透波復(fù)合材料。四代戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)材料用量：復(fù)合材料約30wt%(包括結(jié)構(gòu)吸波/透波復(fù)合材料 8wt%)，鈦合金約 30wt%，損傷容限鋁合金約 20wt%，鋼用量約 5wt%，其他材料約 15wt%[1-12]。
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和三代戰(zhàn)斗機相比，四代戰(zhàn)斗機用結(jié)構(gòu)材料的最大差別是先進復(fù)合材料的大量應(yīng)用。高韌性結(jié)構(gòu)復(fù)合材料降低了結(jié)構(gòu)重量系數(shù)；寬頻隱身一體化吸波復(fù)合材料應(yīng)用使飛機能夠在保持良好氣動外形的同時實現(xiàn)雷達(dá)隱身；高性能透波復(fù)合材料使有源相控陣?yán)走_(dá)、無源探測和電子干擾裝備得到高效應(yīng)用，提升了探測和電子戰(zhàn)能力。
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本文主要介紹了國內(nèi)先進復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展歷程、目前國內(nèi)先進復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展面臨的機遇和挑戰(zhàn)及今后國內(nèi)先進復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展重點。
1????國內(nèi)先進復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展歷程
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先進復(fù)合材料主要包括碳纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)吸波一體化復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)透波復(fù)合材料，表 1 為其主要應(yīng)用部位和作用。
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圖 1 為國內(nèi)航空碳纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料發(fā)展歷程。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，形成了高韌性、耐高溫復(fù)合材料體系及熱壓罐和樹脂傳遞模塑 (RTM) 制造技術(shù)體系，基本滿足不同航空裝備研制生產(chǎn)的需求。航空碳纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料早期用于飛機整流邊緣等非承載結(jié)構(gòu)，后逐步開始在尾翼安定面等承載結(jié)構(gòu)應(yīng)用，目前已實現(xiàn)在飛機機翼、機身等主承載結(jié)構(gòu)應(yīng)用[2-4,13-14]。
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結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料是在隱身戰(zhàn)斗機迫切需求牽引下發(fā)展起來的 (圖 2)。經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料吸收頻帶不斷拓寬，力學(xué)性能不斷提高，支撐和促進了航空隱身裝備的發(fā)展[15]。國內(nèi)結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料先在三代飛機隱身集成考核驗證后，最終實現(xiàn)在四代機大量應(yīng)用。
裝備探測能力不斷提升，牽引結(jié)構(gòu)透波復(fù)合材料性能不斷提高[16-18]。結(jié)構(gòu)透波復(fù)合材料從最初的手糊層合結(jié)構(gòu)，發(fā)展到當(dāng)前的低吸濕、低介電、低密度和高綜合力學(xué)性能透波復(fù)合材料，滿足了裝備發(fā)展的要求 (圖 3)。結(jié)構(gòu)透波復(fù)合材料初期用于飛機機頭雷達(dá)罩，逐步發(fā)展到預(yù)警機大型雷達(dá)罩及滿足海上預(yù)警機海洋環(huán)境應(yīng)用的低吸濕高透波天線罩，支撐了航空裝備探測能力的提升。
2????國內(nèi)先進復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
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碳纖維是復(fù)合材料的關(guān)鍵原材料，經(jīng)過十幾年的攻關(guān) ， 國內(nèi)已經(jīng)成功研制性能水平達(dá) 到T300/T700/ T800 級碳纖維，初步建立了國產(chǎn)碳纖維技術(shù)與評價體系。國產(chǎn) T300/ T700 級碳纖維實現(xiàn)航空裝備批量應(yīng)用，國產(chǎn) T800 級碳纖維開始航空裝備應(yīng)用考核，M40、M40?J、M55?J 已突破工程化制備技術(shù)并在航天領(lǐng)域得到應(yīng)用，國產(chǎn)碳纖維實現(xiàn)從無到有的跨越[3,19-21]。圖 4 為國內(nèi)外部分碳纖維的基本力學(xué)性能。
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圖 5 為國內(nèi)外部分復(fù)合材料的使用溫度和沖擊后壓縮強度 (CAI)。國內(nèi)先進復(fù)合材料樹脂體系包括環(huán)氧、雙馬和聚酰亞胺，長期使用溫度突破350℃，韌性 CAI 達(dá)到 300?MPa 以上。高韌性環(huán)氧和雙馬復(fù)合材料在四代機、大型運輸機、武裝直升機等結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用，耐高溫聚酰亞胺復(fù)合材料在航空發(fā)動機得到應(yīng)用，國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料技術(shù)已經(jīng)形成比較完整的體系[24-27]。
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在先進復(fù)合材料制造技術(shù)方面，國內(nèi)預(yù)浸料/熱壓罐和 RTM 成型復(fù)合材料制造技術(shù)日趨成熟。通過和自動裁剪、激光定位等數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合，碳纖維復(fù)合材料制造效率和質(zhì)量明顯提升。研制的自動鋪帶設(shè)備和技術(shù)得到應(yīng)用并在主要先進復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)逐漸普及；研制的自動鋪絲設(shè)備和技術(shù)也開始得到工程應(yīng)用。復(fù)合材料制造技術(shù)日趨成熟，自動鋪放技術(shù)得到突破[28-30]。圖 6 為國內(nèi)研制的自動鋪放設(shè)備及制備的復(fù)合材料構(gòu)件。先進復(fù)合材料從非承力結(jié)構(gòu)，逐漸發(fā)展到次承力結(jié)構(gòu)、主要承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用，為航空裝備輕量化做出了重要的貢獻。
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碳纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在戰(zhàn)斗機、運輸機、武裝直升機[31] 等廣泛應(yīng)用，用量不斷增加，應(yīng)用規(guī)模迅速擴張。戰(zhàn)斗機復(fù)合材料用量達(dá)到 30% 左右，直升機復(fù)合材料用量達(dá)到約 40%，先進復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模 (圖 7)。
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透波增強纖維是結(jié)構(gòu)吸波和透波復(fù)合材料的關(guān)鍵增強材料，目前國內(nèi)結(jié)構(gòu)吸波和透波復(fù)合材料用無機透波纖維 (石英和玻璃纖維) 性能大幅度提升，織物品種規(guī)格齊全，生產(chǎn)規(guī)模超過 500 萬噸以上。有機透波纖維 (芳綸和聚酰亞胺纖維) 關(guān)鍵技術(shù)突破，形成規(guī)模化生產(chǎn)能力，保障了新一代結(jié)構(gòu)吸波和透波復(fù)合材料的研制需求[32-35]。表 2列出了國內(nèi)部分聚酰亞胺 (PI) 纖維的性能。
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結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料是四代機實現(xiàn)高隱身的關(guān)鍵之一。通過發(fā)展“陷阱式”吸收新結(jié)構(gòu)和寬頻復(fù)合吸收劑、含散射介質(zhì)高性能吸波蜂窩技術(shù)，實現(xiàn) 1~18?GHz 寬頻高吸收。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了超結(jié)構(gòu)/吸波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計和制造技術(shù)，研制了超寬頻結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料，吸收頻寬拓展至 0.3~18?GHz(圖 8)。形成了復(fù)合吸收劑增強高交聯(lián)密度耐高溫環(huán)氧、雙馬和聚酰亞胺吸波樹脂體系，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料耐高溫和高力學(xué)性能，長期使用溫度達(dá)到 300℃ 以上。進一步建立了吸波復(fù)合材料結(jié)構(gòu)電磁/力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計方法，優(yōu)化設(shè)計了反射板、頭緣結(jié)構(gòu)和變厚度蒙皮等高效吸波結(jié)構(gòu)，提升了吸波復(fù)合材料結(jié)構(gòu)雷達(dá)散射截面積 (RCS) 減縮效果。
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在結(jié)構(gòu)透波復(fù)合材料方面，玻璃纖維、石英纖維增強環(huán)氧、雙馬 (BMI)、氰酸酯等結(jié)構(gòu)透波復(fù)合材料的使用溫度達(dá)到 170℃，石英纖維/氰酸酯透波復(fù)合材料介電損耗小于 0.006(表 3)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各型預(yù)警機天線罩、戰(zhàn)斗機的雷達(dá)罩及各種電磁窗口等，為我國預(yù)警機等航空裝備的研制做出了重要貢獻。
為降低結(jié)構(gòu)透波復(fù)合材料密度和濕熱介電損耗，提高力學(xué)性能，特別是壓縮強度和模量，發(fā)展了低自由體積、低介電、低吸濕環(huán)氧和雙馬樹脂基體和纖維混雜/界面強化協(xié)同技術(shù)，大幅提高了混雜透波復(fù)合材料壓縮和層間剪切強度，降低了結(jié)構(gòu)透波復(fù)合材料的密度和濕熱介電損耗，研制了新一代有機/無機混雜結(jié)構(gòu)透波復(fù)合材料，同時實現(xiàn)低介電損耗、低吸濕、低密度和高綜合力學(xué)性能，實現(xiàn)了升級換代 (圖 9)。
3????復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展面臨的機遇和挑戰(zhàn)
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(1) 航空裝備輕量化對高性能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的需求。未來五代戰(zhàn)斗機、遠(yuǎn)程轟炸機、大型民用機等要求進一步結(jié)構(gòu)輕量化，對 T800、T1000 級碳纖維增強高韌性環(huán)氧和雙馬復(fù)合材料有迫切的需求。
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(2) 航空發(fā)動機提高推重比對耐高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的需求。航空發(fā)動機發(fā)展要求不斷提高推重比，要求冷端部件大量應(yīng)用高性能樹脂基復(fù)合材料以減輕質(zhì)量，包括高韌性環(huán)氧復(fù)合材料和使用溫度達(dá)到 350℃ 以上聚酰亞胺復(fù)合材料。
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(3) 裝備高隱身對結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的需求。未來五代戰(zhàn)斗機要求 360°全向隱身，遠(yuǎn)程轟炸機全空域突防，對超寬頻吸波、耐高溫寬頻吸波和多頻譜吸收復(fù)合材料迫切需求。
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(4) 海洋環(huán)境應(yīng)用對高耐濕熱透波復(fù)合材料的需求。隨著國家戰(zhàn)略調(diào)整，航空裝備的應(yīng)用環(huán)境發(fā)生了明顯變化，海洋環(huán)境應(yīng)用要求復(fù)合材料具有良好的耐濕熱性能，特別是透波復(fù)合材料，高濕度環(huán)境導(dǎo)致吸濕增加，將明顯影響雷達(dá)系統(tǒng)的探測距離和指向偏差。
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(5) 國際環(huán)境新形勢對先進復(fù)合材料自主可控的要求。美國泛化“國家安全”和“制造業(yè)再回歸”戰(zhàn)略影響我國碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，新形勢下航空裝備用關(guān)鍵材料必須自主可控。
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(6) 航空裝備快速研制對先進復(fù)合材料研究方式變革的需求。航空裝備研制周期越來越短，要求先進復(fù)合材料研制方式協(xié)同變革，需要強化發(fā)展先進復(fù)合材料計算設(shè)計技術(shù)、跨尺度建模技術(shù)、服役行為虛擬表征技術(shù)等。
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4????國內(nèi)先進復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展重點
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(1)?高性能碳纖維和有機透波纖維。拉伸強度和模量分別超過 6 000?MPa 和 360?GPa 的高性能碳纖維；低介電常數(shù)、低介電損耗、低密度、耐環(huán)境性能優(yōu)異、模量明顯高于石英纖維，介電損耗低于 0.001 的有機透波纖維。
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(2) 高性能碳纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。新一代模量、強度和韌性得到同時提升的高模量、高強度、高韌性碳纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；滿足高超聲速飛行器主結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料長期使用溫度和力學(xué)性能 (尤其是高韌性) 要求的耐高溫、高韌性碳纖維復(fù)合材料。
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(3) 耐高溫碳纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。長期使用溫度達(dá)到 350℃ 以上，同時要求具有良好的熱氧化穩(wěn)定性和成型工藝性，滿足航空發(fā)動機應(yīng)用要求的熱壓成型耐高溫碳纖維增強聚酰亞胺復(fù)合材料；同時具有較好的韌性和熱氧化穩(wěn)定性，能夠滿足高推重比航空發(fā)動機使用溫度和整體結(jié)構(gòu)成型要求的 RTM 成型耐高溫聚酰亞胺復(fù)合材料。
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(4) 高性能熱塑性結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。研制使用溫度 150℃ 以上、T800 級碳纖維增強的高性能熱塑性復(fù)合材料，建立熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料及其復(fù)合材料構(gòu)件在線原位制造技術(shù)，降低復(fù)合材料的制造成本和提高制造效率，滿足航空裝備對熱塑性復(fù)合材料的需求。
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(5) 超寬頻結(jié)構(gòu)吸波一體化復(fù)合材料。超寬頻雷達(dá)吸波和多頻譜 (紅外/雷達(dá)) 兼容吸波復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的吸收頻帶覆蓋 0.1~18?GHz，低頻吸收大于 5?dB 以上，紅外/雷達(dá)兼容吸收，滿足裝備全頻譜隱身要求。
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(6) 耐高溫寬頻結(jié)構(gòu)吸波一體化復(fù)合材料。未來五代機要求實現(xiàn) 360°全向隱身，發(fā)動機尾噴管及飛機尾噴區(qū)域的隱身，要求應(yīng)用耐 300℃ 以上耐高溫結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料。
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(7) 承載/防冰/寬頻吸波一體化復(fù)合材料。航空發(fā)動機風(fēng)扇既是強散源，也是容易結(jié)冰的部位。要實現(xiàn)航空發(fā)動機風(fēng)扇 RCS 的明顯減縮，需要發(fā)展承載/防冰/寬頻吸波一體化復(fù)合材料。
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(8) 低吸濕結(jié)構(gòu)透波一體化復(fù)合材料。航空裝備在海洋高濕環(huán)境應(yīng)用，透波復(fù)合材料吸濕會明顯增加介電損耗，迫切需要發(fā)展吸濕率低于 1%，濕態(tài)介電損耗低于 0.01 的低吸濕結(jié)構(gòu)透波復(fù)合材料，滿足航空裝備海洋環(huán)境下天線罩應(yīng)用要求。
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來源：邢麗英, 李亞鋒, 陳祥寶. 先進復(fù)合材料在航空裝備發(fā)展中的地位與作用[J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 2022, 39(9): 4179-4186 doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220525.001
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦復(fù)合材料網(wǎng)）：先進復(fù)合材料在航空裝備發(fā)展中的地位與作用