先進樹脂基復合材料的發展現狀

    樹脂基體

    為了提高先進樹脂基復合材料的使用性能，在環氧（EP）的基礎上，研究人員開發了雙馬來亞（BMI）基和耐高溫聚酰亞胺（PI）基等復合材料。

    環氧樹脂的綜合性能優異，工藝性好，價格較低，是碳纖維復合材料中應用最普遍的樹脂基體。缺點是韌性不足，耐疲勞性和耐濕熱性差，預浸料儲存期短。

    雙馬來亞胺具有優異的耐熱性、電絕緣性、透波性、阻燃性和耐候性以及良好的力學性能和尺寸穩定性。其成型工藝類似于環氧樹脂，原材料來源廣泛、成本廉價，它的缺點是熔點高、溶解性差、成型溫度高及固化物脆性大等，通過改性可獲得韌性和耐濕性優于環氧樹脂；工藝性優于聚酰亞胺樹脂并接近環氧樹脂的雙馬來亞胺基，滿足于高速飛機主受力結構用復合材料的需要。

    熱固性聚酰亞胺是高溫型復合材料樹脂基體，在很寬的溫度和頻率范圍內仍保持較高的介電性能。其缺點是固化困難，固化時常需要高溫高壓和復雜的升溫程序，由于反應生成的水或溶劑的存在導致孔隙率較高，材料易吸潮，使電性能降低。

    增強材料

    先進樹脂基復合材料常用的增強纖維包括碳纖維和其他高性能有機纖維。目前應用的最多和重要的是碳纖維，對碳纖維的研究目標主要是提高強度和降低成本。

    先進樹脂基復合材料的應用

    在航空領域的應用

    先進復合材料的研究應用主要集中于國防工業。國內外先進復合材料在航空航天領域的應用情況見表[1]。

    戰機

    美國在復合材料方面具有強大的、 全面的研究和生產基地，綜合實力最強，是世界上戰機用先進樹脂材料最大的生產國和消費國。在戰機用先進樹脂基復合材料方面，其規模和技術都走在世界前列。圖為美國戰斗機復合材料使用分布圖。

    第四代戰斗機Ｆ-22“猛禽”，僅就復合材料的用量來講并不是很高，只占結構質量的24% ， 但與以往的機型相比，它的復合材料的應用水平提高了一個級別。F-22上的復合材料不只用于蒙皮，而且還應用于機翼梁和垂尾梁。F-22上大約有一半的復合材料是Fiberite977-3增韌環氧復合材料，另一半是雙馬來酰亞胺（BMI） 樹脂復合材料。F-22上的材料分布如圖所示。

    為了保證飛機的隱身能力和對結構重量的嚴格限制，F-35大量地采用了先進樹脂基復合材料。 蒙皮采用了使用溫度為177℃的石墨／環氧樹脂基復合材料，機翼和尾翼上的高溫部位采用了使用溫度為220℃ 的碳／增韌雙馬樹脂基復合材料。先進的結構設計和大量地應用復合材料，使 F-35可采用尺寸更大的整體部件來代替由各個零件組裝而成的部件，從而獲得更高的可靠性和易維護。

    針對20世紀80年代初美國的ATF先進戰術戰斗機的研制計劃，前蘇聯也擬定出關于研制第五代（相當于西方第四代）殲擊機的秘密決定。 蘇霍伊和米高揚設計局制造出了S-37“ 金雕”（ 后改稱蘇-47）。S-37廣泛采用了先進材料，尤其是其前掠機翼幾乎全部采用復合材料制作，通過合理的纖維鋪層克服了前掠翼的“ 氣動彈性發散”問題 ， 這是S-37之一。2010年１月29日，“ 未來戰術航空綜合系統”（俄語縮寫PAKFA）[4,5]項目的原型機T-50實現了首飛。 復合材料約占T-50整機重量的25％，約占機體表面部分重量的70％。 與蘇-27相比，T-50機體零件的數量減少了四分之三。

    與國外先進戰機相比，國產戰機的復合材料的用量較少，國內戰機上復合材料的應用情況列于表。 由表可見，在直升機領域復合材料的使用比例較大。 直-九直升機中復合材料的使用率約為23％。殲８、殲５戰機的垂直尾翼壁板及垂直尾翼使用了碳纖維樹脂基復合材料。全天候戰斗機殲10的前翼整體采用了復合材料。 高級教練機L-15“獵鷹”06的機頭罩和方向舵大部件都是由國產高性能碳纖維復合材料制造的。

    航天飛機

    以NASA開發的第２代可重復使用航天飛機為例，油箱內襯為復合材料。在推進系統中將采用樹脂基復合材料涵道。第３代可重復使用航天飛機將為一智能結構，具有自適應熱防護系統及智能化無損檢測裝置，自愈合的飛機結構及表面。結構材料將包括超高溫樹脂基復合材料、低成本耐腐蝕熱防護系統復合材料液氧油箱。

    美國高超聲速飛行器Ｘ-43是由超燃沖壓發動機作動力裝置的驗證機。其油箱機身由石墨／環氧框架及蒙皮組成。蒙皮外再覆以熱防護系統。飛機上翼面熱防護層為可剪裁的先進絕緣氈，下翼面為內多層屏蔽絕緣物。

    巡航導彈和固體火箭發動機

    在火箭和導彈上使用碳復合材料減重效果十分顯著。因此，采用碳纖維復合材料將大大減輕火箭和導彈的惰性重量，既減輕發射重量又可節省發射費用或攜帶更重的彈頭或增加有效射程和落點精度[6]。

    在樹脂基復合材料中，環氧樹脂（EP）是巡航導彈彈體結構[7]所用復合材料中最主要的基體材料，在所有樹脂基復合材料結構中所占的比例高達90％。但隨著飛行速度的提高，超聲速巡航導彈研究的日益深入，目前樹脂基復合材料的研究重點已由環氧樹脂向BMI、聚酰亞胺（PI）樹脂、氰酸酯樹脂轉移。Bryte公司最近開發了一系列氰酸酯樹脂基體，玻璃化轉變溫度達335℃，短時工作溫度達300℃，可以代替BMI和聚酰亞胺，氰酸酯樹脂已成為未來結構／功能一體化的有力候選材料，可以作為超聲速巡航導彈復合材料舵面和彈體通常選用的樹脂。

    耐高溫樹脂基復合材料是超聲速巡航導彈彈體結構的主選材料，以BMI、PI樹脂為主。目前國內的PI樹脂存在著性能不穩定、工藝操作性差等諸多問題，難以成型大尺寸、復雜型面的復合材料結構，不宜作為超聲速巡航導彈主體結構樹脂[8,9]。

    衛星和宇宙飛船

    宇航工業中除燒蝕復合材料外，高性能復合材料應用也很廣泛。如三叉戟導彈儀器艙錐體采用Ｃ/EP后減重25％～30％，省工50％左右。還用作儀器支架及三叉戟導彈上的陀螺支架、彈射筒支承環，彈射滾柱支架、慣性裝置內支架和電池支架等55個輔助結構件。德爾塔火箭的保護罩和級間段亦由Ｃ/EP制造。宇航器“空中旅行者”的蜂窩夾層結構的內外蒙皮采用了Ｋ-49/EP。人造衛星使用碳復合材料制造衛星整流罩、展開式太陽能電池板，而宇宙飛船使用碳復合材料制造防熱材料、太陽能電池陣基板和航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等[8，9]。

    民用大飛機

    民用航空材料方面由于采用環氧基碳纖維增強材料，帶來非常明顯的性價比，歐洲空中客車公司提出更多地用輕質高強材料使機身減重30%，整個飛行成本可降低40%。再如波音B777飛機上采用碳纖維增強工程塑料量達9.9ｔ，占結構總質量的11％。而波音B787飛機上采用環氧樹脂基、雙馬來酰亞胺基體碳纖維復合材料和熱塑性工程塑料，其用量達機重的50％。環氧樹脂基、雙馬來酰亞胺基碳纖維復合材料主要用來制造機翼、機身、地楞橫梁等部位的結構材料，內部裝飾上也大面積使用了熱塑性工程塑料。

    汽車領域

    樹脂基復合材料具有質量輕、比強高（節能），易于加工和改型，耐腐蝕等優點，在機車、汽車制造業獲得了越來越廣泛的用途。樹脂基復合材料在機車和汽車制造業的用途，材料及制造工藝、性能見表[12]。

    機車

    機車車輛的轉向架是支承車體，保證列車運行平穩性的重要部件，其構架又是特別重要的高強度、高耐疲勞性能的大型承載構件。樹脂基復合材料在轉向架構架上的應用首推德國，并在世界上也是首次。早在80年代中期，德國AEG和MBB公司就在聯邦研究技術部的支持下，在聯邦鐵路的合作下，研究試制成世界上第一臺復合材料轉向架構架（稱之為FVW構架），型號為HLD-E的轉向架設計速度200km/h，由兩根側梁和兩根橫梁組成構架，用復合材料制成一個整體的雙H形構架。

    目前在西歐，制造鐵道車輛用的復合材料中，按纖維種類分，玻璃纖維占58%. 芳族聚酸胺纖維占20%，碳纖維占20%，其他占2%；按樹脂的種類分，聚酯占35%，乙烯酸酯占22%，環氧樹脂占21%，酚醛樹脂占15%，改性的丙烯酸樹脂占4%，其他占3%。

    汽車

    樹脂基復合材料汽車發動機部件的大量使用是從1990年開始的，它首先用在美國通用汽車公司3.3/3.8L V6轎車發動機閥門罩上，用它代替模鑄金屬罩可減輕質量（比鋁輕33%，比鋅輕75%）。在所用的玻璃纖維增強熱固性聚酯SMC和BMC中已經加入了顏料，所以無需涂漆。通過模壓零件已經組合成一體，減少了裝配工作量，其尺寸已經符合對制品的最終要求，減少了機加工量和修整工作量。

    材料能夠滿足發動機所要求的耐熱性、電絕緣性、隔熱性以及耐腐蝕性，所以很快得到推廣應用。已在600多萬臺GM3800型發動機上配用了超過1200萬個樹脂基復合材料閥門罩，沒有發生過質量問題。

    使用復合材料制作汽車發動機部件，減輕了車輛質量，降低了零件成本，無需表面涂漆等工藝，其外觀與金屬幾乎相同，密封性能良好，還降低了發動機的噪聲。所以美國三大汽車公司均開始使用，并在未來幾年有大規模生產的計劃。

    在雷達上的應用

    衛星天線系統

    衛星天線與普通天線最大的不同之處在于要經受運載火箭的發射載荷和空間環境的驗，因而，衛星天線結構材料及其工藝研究一直是衛星天線工程化工作的一個重要內容。以碳纖維復合材料為代表的先進樹脂基復合材料具有密度小、比強度比模量高、線脹系數小及獨特的電磁性能等，已成為衛星天線結構常用的材料，如表所示。

    雷達罩

    最早的雷達罩（ 如美國的FPS-49 雷達天線罩、我國大部分地面和機載雷達天線罩等） 表皮材料多為玻璃纖維復合材料。隨著先進復合材料技術的發展，新材料品種不斷涌現，其他材料（ 如Kevlar 纖維、石英纖維復合材料等） 在雷達天線罩上的應用也嶄露頭角，美國于20世紀80年代研制的M-161飛機的雷達天線罩就是采用芳綸纖維復合材料制造的。

    近期研發應用的雷達罩用樹脂系統有氰酸酯、聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺、聚醚醚酮、聚苯并咪唑等。它們都具有耐溫高、介電性能好的特點，尤其是氰酸酯樹脂的介電性能具有明顯的寬帶特性，適于制造高性能雷達罩，美國的F-22戰斗機雷達罩就是采用石英纖維氰酸酯復合材料制造而成的。

    天線反射面

    碳纖維復合材料天線反射面已有許多應用實例。早在20世紀70年代，美國海盜號宇宙飛船就使用了碳纖維復合材料的天線反射面； 近幾十年來國內的航空、航天、電子等行業也先后研制生產了大量碳纖維復合材料天線反射面并裝備了部隊。如某研究所于20世紀90年代研制成功的雙曲面碳纖維復合材料夾層結構天線反射面，其芯材采用玻璃布蜂窩，厚度為10 mm，重量僅為1.6 kg，較相應的鋁天線反射面減重30%，反射面表面曲率精度為0.13mm（ 均方根誤差） ，大大優于鋁制天線（ 0.20mm），在3cm波段的副瓣電平低于-27dB，達到低副瓣天線水平，提高了雷達性能，已用于直升機反潛搜索雷達。當前，國內研制的復合材料天線反射面表面曲率精度大都為0.12~0.20mm（ 均方根誤差）。

    饋源

    喇叭、波導制造也是先進復合材料的一大應用方向。20 世紀80 年代末，國內電子某所就研制了碳纖維復合材料戰場偵察雷達饋源（ 八孔喇叭） ，其重量僅為0.88kg，而相應的銅質饋源重量為4.04kg。21世紀初，國內某研究所開始研制車載碳纖維復合材料喇叭天線，目前已批量生產，電性能與原鋁喇叭相當，而重量卻減輕了一半，經濟技術效益明顯。

    對于波導喇叭元件特別是形狀復雜的零件[15]，采用復合材料制造可以避免金屬材料焊接過程中產生的變形，所以制件精度易于保證，電性能優異。國外復合材料微波器件制造已達到相當高的水平，瑞典埃列克森公司研制的碳纖維復合材料裂縫天線已用于機載雷達，較金屬天線減重30% 左右。國內對3cm的長波導管（ 700mm長，半高度波導） 也進行了研制并取得了可喜成績。

    結構件

    結構件是先進復合材料應用的一個重要領域[16]。隨著結構的優化及制造技術的發展，在航空、航天及交通運輸行業，先進復合材料的應用已從非承力構件到次承力構件，現在已發展到主承力構件的階段。目前雷達產品中也已大量使用碳纖維復合材料制作結構件，如各類框架、顯控臺、背架等，其主要作用就是在保證剛強度的前提下減輕重量。

    印刷線路板基板材料

    印刷線路板基板材料是雷達必不可少的重要原材料，從接收、發射到信號處理，無一不需要基板材料制造印刷線路。為此，國外研制開發了多種高性能樹脂和增強材料。樹脂主要有耐高溫環氧樹脂、聚酰亞胺樹脂、雙馬來酰亞胺改性三嗪樹脂、聚苯醚樹脂、聚四氟樹脂等，以此提高耐熱性，降低介電常數和損耗角正切。在增強材料方面，通過改進玻璃纖維布中的玻璃成份，改進玻璃纖維的偶聯劑和加工方法以及采用其他新型高性能增強材料，來提高基板的各項性能。美國杜邦公司開發的芳綸纖維基復合材料基板及熔石英纖維基板，熱膨脹系數為6*1-6～ 9*10-6，能與陶瓷載體匹配，用于表面安裝。國內一些研究單位也在研制氰酸酯、聚苯醚、聚丁二烯等低損耗樹脂系統材料，用于高頻電路用基板材料的制造[14]。

    隱身復合材料

    隱身技術是現代戰爭中出現的一種以出奇制勝、提高突防能力、自我保護及自我生存能力為目的的高新技術。先進復合材料用于隱身技術具有選擇范圍廣、隱身效果好、可實現復雜外形隱身、減重、具備多種隱身效果及特殊功能的優勢，先進隱身飛機、艦船、導彈及其他隱身武器中都大量采用了隱身復合材料技術[17]。美國B-2 轟炸機大量采用了隱身復合材料，其大型機翼蒙皮采用具有吸波性能的S玻璃纖維、芳綸纖維及碳纖維等多種纖維混雜的復合材料制作，除了具有吸波作用外，還提高了外形的整體性，減少了由對接縫隙和鉚釘引起的雷達波散射。F-22隱身飛機復合材料用量達到整機重量的26%，其中雷達罩、機翼前后緣、平尾、后機身下蒙皮均采用了復合材料夾層吸波結構。

    結束語

    總之，先進樹脂基復合材料大力的應用于航空航天，雷達和機車汽車領域。但是就我國而言，高性能增強相的技術缺失，高性能樹脂基體材料的制備瓶頸都在很大程度的限制了我國先進復合材料的研究和應用進展。如何實現技術的突破和實現研究的創新是我國復合材料發展的基本，研究成果如何實現快速的轉化進入生產應用也是需要解決的難題；如何改進工藝實現產品的軍轉民也是考慮的重點。

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責任編輯：王元

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