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