復合材料的發(fā)展狀態(tài)

引言
材料作為工業(yè)基礎，是工業(yè)革命的推動力，而具有優(yōu)異性能與功能的新材料本身就是一種高新技術，是現(xiàn)代高新技術發(fā)展的物質基礎和先導技術。新材料是國家新興戰(zhàn)略性產業(yè)之一。作為現(xiàn)代工業(yè)和裝備的共性關鍵技術，決定著一個國家的裝備發(fā)展水平，可以說：“一代材料、一代裝備、一代產業(yè)”。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，新材料的發(fā)展日益向著結構功能一體化、功能材料智能化、材料與器件集成化、制備與使用的綠色化、材料全壽命的低成本化、材料的復合化方向發(fā)展，特別是材料的復合化已經成為21世紀新材料技術發(fā)展最為重要的方向之一。
復合材料是由兩種或兩種以上材料復合而成的，組分材料間具有明顯界面，能夠充分發(fā)揮組分材料的各自優(yōu)勢，并能獲得各組分材料所不具備的性能。它是二十世紀最重要的人工材料之一，成為繼金屬、陶瓷、高分子材料之后的第四類材料。從“二戰(zhàn)”玻璃纖維增強復合材料應用開始，到目前以碳纖維增強復合材料為代表的各種先進復合材料，由于其優(yōu)越性能和可設計性等突出優(yōu)點，備受關注。復合材料的發(fā)展大都以國防、航空航天需求為牽引，通過材料研發(fā)與應用水平的提高，不斷的更新?lián)Q代，現(xiàn)已被推廣到航空航天、船艦、交通、能源、建筑、橋梁以及休閑等領域。

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復合材料的主要優(yōu)勢體現(xiàn)三個方面：(1)提高結構效率：復合材料具有高比強、高比模等突出優(yōu)點，它的應用可顯著減輕裝備結構重量，從而增加有效載荷，節(jié)約能量消耗或提高效率；(2)結構/功能一體化：可實現(xiàn)特殊功能，提高抗極端環(huán)境能力，進一步提高結構的安全性和功能性；(3)智能化：可提高材料對服役環(huán)境的感知和適應能力，并產生革命性的效果。圖1給出了軍用運輸機和戰(zhàn)斗機中復合材料用量的變化情況，事實證明，目前先進復合材料的應用水平和用量成為衡量新一代裝備先進性的重要標志。
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圖1． 復合材料在軍機民機中用量的變化情況

1. 復合材料的應用現(xiàn)狀與趨勢
從材料的發(fā)展歷史可以看出，近幾十年來復合材料受重視程度一直呈上升趨勢，特別是21世紀以來尤為明顯，復合材料得到了國內外的充分重視。2003年美國國防部委托國家科學院調研的“面向21世紀國防需求的材料研究”報告中指出：“到2020年，只有復合材料才有潛力獲得20-25%的性能提升”，得到國際上廣泛認同。胡錦濤主席在2010年院士大會的講話中指出：“大力發(fā)展新材料和先進制造科學技術，……積極發(fā)展先進結構材料和復合材料、功能材料等”。2011年3月，在“十二五規(guī)劃”綱要中，“科技創(chuàng)新能力建設重點”的“技術創(chuàng)新工程”中重點提到了“碳纖維復合材料”。從應用態(tài)勢看，有下述四個方面的顯著特征。 123456

1.1作用越來越大
　　先進復合材料在新型或現(xiàn)代裝備中的戰(zhàn)略作用越來越大，顯著提升了裝備性能和效能，在某些關鍵結構部位的作用呈現(xiàn)“不可替代”的趨勢。
2010年4月、2011年3月X-37B的兩次發(fā)射引起巨大轟動和廣泛關注，有可能在“太空軍事化”上產生革命性影響，其中先進復合材料功不可沒。在X-37B中使用了韌化單片纖維增強抗氧化復合材料(TURFOC)作為新型高溫熱防護系統(tǒng)，其最高溫度不低于1700℃，并且首次應用C/SiC復合材料作為熱結構，使用碳纖維/雙馬來酰亞胺復合材料作為主結構。大幅提升了飛行器的氣動性能、機動能力、有效載荷能力、可重復使用性能和結構可靠性。

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圖2． X-37中所用的耐高溫TURFOC和碳纖維/雙馬復合材料主結構

　　2010年4月美國首次發(fā)射了HTV-2，在實現(xiàn)“全球快速到達”FALCON 新型戰(zhàn)略威懾和戰(zhàn)術打擊武器裝備的發(fā)展中邁出了最為重要的一步，HTV-2對熱防護要求極其苛刻，其中C/C復合材料結構的工程化應用是其重要的物質保障。在該飛行器中使用了1650℃的C/C復合材料、 2000 ℃以上超高溫復合材料、 多層高效隔熱復合材料技術和大面積復合材料熱防護結構技術。是目前世界上最大、最復雜的C/C復合材料結構，也是整體承力熱防護結構的首次工程化應用，大幅度提升了美國國防和工業(yè)界C/C研制及生產水平。 本文來自123
2011年，航天飛機將全部退役，“Orion”飛船將成為美國載人航天的重要手段，該飛船的熱防護和主結構復合材料技術取得了關鍵的技術突破，大幅度提高了載人飛船的可靠性和有效載荷能力。在“Orion”飛船擁有目前世界上最大的復合材料熱防護結構；其主承力結構采用新型樹脂基復合材料，大大減輕了結構重量，令隔熱層更薄，結構效率更高。其有效載荷能搭乘6名飛行員，返回艙可重復使用10次，其返回艙結構尺寸直徑達5米，成本降到1000萬美元。
無人機在情報、監(jiān)視、偵察等信息化作戰(zhàn)中發(fā)揮越來越重要的作用，縱觀無人機的發(fā)展，從全球鷹到全球觀察者，再到西風和禿鷹，超輕超大復合材料結構技術是提高其持續(xù)能力、生存能力、可靠性和有效載荷能力革命性躍升的關鍵。
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圖3． 幾種無人機復合材料用量和續(xù)航能力比較

　　上述幾個無人機大量使用復合材料，提高了覆蓋范圍和生存能力；大展弦比機翼不斷增大，增長了駐留時間；全復合材料無人機是主流發(fā)展方向；超大和超輕結構復合材料是其發(fā)展趨勢。

1.2范圍越來越廣
　　先進復合材料在裝備中的應用范圍越來越廣，不僅在航空航天領域進一步擴大，逐步拓展到陸地、海洋、信息等各個領域。
近年來，耐高溫陶瓷基復合材料在航空發(fā)動機一些熱端部件的應用取得進展，如F-35 發(fā)動機(F136)的第三級渦輪導向葉片，耐溫可達1200℃，但是重量比傳統(tǒng)材料部件明顯減輕(大約只有鎳合金的1/3和鈦合金的1/2)，這是陶瓷基復合材料在噴氣式發(fā)動機熱端部件的首次工程化應用。

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樹脂基復合材料在航空發(fā)動機的較低溫區(qū)應用效果明顯，大幅減重和降低成本，如發(fā)動機風扇葉片和風扇機匣等位置，比如GE公司的F404發(fā)動機外涵機匣重量和成本均降30%，普惠公司的PW4084和PW4168發(fā)動機風扇葉片重量和成本均降30%以上。
現(xiàn)代信息化海戰(zhàn)對船艦的高隱身、高機動和長壽命提出更高要求，復合材料船艦結構技術將為提升裝備生存能力和壽命期可承受成本作出重要貢獻。美國加利福尼亞大學教授Robert Asaro說: “同一個多世紀以前在船舶結構中用鋼鐵代替木材一樣，這也將是一場技術革命”。比如美國朱姆沃爾特(Zumwalt)驅逐艦艦體和艙室使用碳纖維夾層復合材料，大幅提高了其隱身性能；美國新概念海軍艦艇M80主要結構采用了碳纖維復合材料，時速可達92 km/h，再如世界最先進的全復合材料隱身戰(zhàn)斗艦艇——瑞典的“維斯比”。復合材料的應用在抗腐蝕、輕量化、隱身和降低成本等方面效果明顯。 123,123
復合材料的應用在陸基裝備中同樣取得大量應用，包括戰(zhàn)術導彈結構、發(fā)射平臺、坦克裝甲以及橋梁等技術領域。比如戰(zhàn)術導彈的彈體、發(fā)射筒就大量采用了復合材料。在21世紀，復合裝甲已經成為主戰(zhàn)坦克的主要標志，如陶瓷-金屬復合材料、編織復合材料等。美國正在研究輕型復合材料便攜橋，20-40米，可承受100噸重量，在快速保障，提高生存能力、機動能力、作戰(zhàn)能力等方面發(fā)揮了重要作用。
透波和隱身技術是電子信息戰(zhàn)的重要技術領域。隱身材料的發(fā)展和應用已成為決定隱身技術發(fā)展的關鍵因素，既能隱身又能承載的多功能復合材料是一個重點研究領域。美國的空對地stanf-off遠射導彈 (JASSM) 開始應用，它主要配備給B-52，它的隱身功能的彈身難于被敵發(fā)現(xiàn)。JASSM由美國洛馬公司開發(fā)，進行了纖維創(chuàng)新應用、復合材料彈體由編織復合材料構成，利用RTM工藝制備。美國B-2隱身轟炸機和F/A-22隱身多用途戰(zhàn)斗機均在不同部位大量使用了結構型吸波材料，隱身復合材料成為先進隱身飛機、艦船、導彈及其它隱身武器的首選技術之一，大幅提高了生存能力和精確打擊能力。 123,123

1.3用量越來越大
　　先進復合材料在裝備中從非承力、次承力結構向主承力結構和全復合材料結構方向發(fā)展迅速，其用量越來越大，得益于TANGO ACT CAI等計劃，與原材料和復合材料制備工業(yè)界的關系也愈發(fā)密切
圖4給出了幾種戰(zhàn)斗機的復合材料用量對比圖，從F16到F22，從F35再到B-2，復合材料用量越來越大，F(xiàn)-35主要用在了機翼、機身、垂尾、平尾、進氣道等位置，而B-2采用翼身融合，廣泛應用了層壓板、蜂窩夾層結構、混雜，用量達到了50%。

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圖4． 幾種戰(zhàn)斗機復合材料用量對比

　　歐洲A400M軍用運輸機在制造過程中廣泛使用了復合材料(英國GKN宇航公司負責為A400M制造復雜的炭合成翼梁)，其有效載荷大大超過現(xiàn)有的美制C－160和C－130大型運輸機。該機擁有高懸浮起落裝置，可以在短距離內完成起飛和降落；在執(zhí)行空投和戰(zhàn)術飛行過程中，該機擁有很好的低速運行穩(wěn)定性；該機還具備遠距離高速巡航的能力，可以執(zhí)行長距離機動運輸任務。歐洲A400M運輸機可以進行空中加油，完成長距續(xù)航；同時在兩小時內，該機可改裝作為空中加油機使用。其復合材料用量達35-40%，其碳纖維復合材料機翼占翼結構重量的85%，減重20-25%，開創(chuàng)了大型復合材料運輸機機翼的先例 123,123
美國空軍實驗室和洛馬公司的先進復合材料運輸機(ACCA，現(xiàn)稱X-55A)計劃，主要驗證快速設計與低成本制造大型結構件的可行性。ACCA(X-55)減少零部件(從3000到300)和緊固件(從40000到4000)，機身全長19.8米全為碳纖維蒙皮和夾層結構，采用非熱壓罐成型(2010年1月完成了全尺寸的技術驗證機)。

1.4需求越來越強烈
　　隨著裝備向小型化、高性能化、高可靠性發(fā)展，其服役環(huán)境越來越惡劣、要求越來越苛刻，許多新技術和創(chuàng)新思想受限于材料技術,軍用復合材料成為大幅度提高性能、拓展服役條件最為重要的技術途徑，需求越來越強烈。 copyright 123456
美國的SHARP、德國的SHEFEX、意大利的USV等一系列計劃都將UHTCC(陶瓷基復合材料)作為重點發(fā)展材料，未來滑翔式機動戰(zhàn)略彈頭、天對地精確打擊再入飛行器以及演示驗證飛行器上都有巨大應用潛力。2000℃以上長時間非燒蝕的特性要求，使得在全世界范圍內開始重視發(fā)展UHTCC。
長時間超高溫結構完整性要求是高超聲速飛行器關鍵部位熱防護系統(tǒng)設計首先必須解決的技術瓶頸問題，陶瓷基復合材料體系是最有望成為解決此問題的有效技術途徑。美國軍方認為超高溫陶瓷技術的突破，給飛行器設計帶來的革命性的變化，目前UHTC材料作為銳型前緣不影響氣動性能的使用溫度可達到2830℃，可重復使用溫度超過2300 ℃。
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圖5． 超高溫區(qū)材料的發(fā)展趨勢

　　美國DARPA的“綜合傳感器即是結構”( ISIS：Integrated Sensor is Structure，ISIS)是高分辨率持久信息、監(jiān)視和偵查能力的創(chuàng)新概念，是一個續(xù)航性能極高的戰(zhàn)場監(jiān)視平臺，目前來看其艇身材料需求與現(xiàn)狀相差較大，大型輕質和多功能復合材料結構是其關鍵技術瓶頸之一。 內容來自123456

2. 復合材料技術發(fā)展動態(tài)
復合材料的原材料、制造和工藝設計與新型復合材料得到了足夠的重視和發(fā)展。
隨著復合材料在新一代裝備中應用需求不斷增加，主導復合材料性能的增強體向高性能、低成本方向跨越性發(fā)展。以最具有代表性的增強體碳纖維為例來看，未來幾年碳纖維市場需求持續(xù)增長，2010年，碳纖維在工業(yè)領域的需求占到50%，宇航領域占25%，其它領域占25%。而且繼T800、T1000之后，Zylon、HS、M65J、M5等PAN基高強、高模碳纖維以及無機(陶瓷)、有機(PBO、芳綸等)纖維也得到了充分的重視和發(fā)展。不僅如此，研究也表明纖維缺陷尺度和石墨片層的有序度是決定纖維性能的兩大要素，提高小絲束性能，研發(fā)性價比更高的大絲束碳纖維是今后的一個發(fā)展方向。而基體材料則強調強韌性、功能性和工藝性的協(xié)調發(fā)展方向。

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圖6． 碳纖維的需求趨勢

　　隨著裝備需求的不斷擴大，對于樹脂基復合材料提出了更多、更高的發(fā)展需求，一些雙馬(BMI)和聚酰亞胺(PI) 類樹脂韌性、耐溫性不斷提高，工藝和成本不斷降低。B-2轟炸機尾部使用了新型耐高溫聚酰亞胺樹脂AFR-PE-4，提高耐溫能力和抗聲振能力，降低維修成本和時間。

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復合材料制造工藝非常重要，占復合材料成本比例很大，且對其性能影響很大。自動化、新工藝以及無損檢測技術是先進復合材料制備的重點發(fā)展方向，以自動鋪帶技術(ATL)和自動鋪絲技術(AFP)為代表的自動化制造裝備在大型主承力結歐洲A400M飛機就采用了以鋪帶技術為主的自動鋪放技術。
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圖7． A400M 大型軍用運輸機翼梁
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　　以非熱壓釜工藝和液體成型為代表的低成本工藝技術也發(fā)揮越來越重要的作用，并有望成為降低復合材料成本的關鍵技術。利用新工藝使裝備的零件數(shù)減少一個數(shù)量級，更易制造復雜構型結構。比如美國陸軍CH -47運輸直升機，利用新工藝后，其發(fā)動機吊架結構元件總數(shù)從277減少到72，這些元件使用的緊固件也從2526減少到845。僅上甲板的元件數(shù)就從100個下降到5個。
復合材料的設計水平在一定意義上決定其應用水平，應充分發(fā)揮復合材料的優(yōu)越性能，科學設計，減輕重量，提高可靠性，降低成本，不能簡單用“好材料”，而是要“用好”材料。

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復合材料作為一種新材料，隨著材料科學、技術和應用水平的不斷提高，新型復合材料，如納米復合材料，智能復合材料以及仿生復合材料不斷出現(xiàn)，這也是其技術發(fā)展的一大趨勢。

3. 我國未來發(fā)展的幾點思考
對于我國而言，復合材料的用量和水平將是制約我國攻防對抗體系的綜合能力的主導因素之一，鑒于我們目前的發(fā)展現(xiàn)狀，應考慮在以下幾個進行加強和深化。
(1)、高性能增強體的研發(fā)，特別是高性能碳纖維的研發(fā)非常重要，應進一步加強T300級碳纖維性能穩(wěn)定性和工程化研究和開發(fā)；加強T800、T1000級等中高端國產碳纖維的預先研究，重要裝備的發(fā)展應立足于國產碳纖維。

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(2)、從長遠發(fā)展來看，應在國家層面上繼續(xù)推動新裝備、新工藝發(fā)展的重大研究計劃，提高我國復合材料的制備能力。國外復合材料在F-22、F-35和B-2等裝備上的成功應用，主要依賴于其先進的復合材料工藝和生產裝備；雖然Boeing、AirBus都在中國建廠合作生產部件，但裝備和工藝方面的核心技術仍受其控制，軍用方面的技術更是進行了嚴格的技術封鎖。
(3)、進一步加強設計、分析、檢測和評價技術研究，提高復合材料應用技術成熟度；準確把握我國復合材料技術現(xiàn)狀和趨勢，“用好”材料，而不簡單是用“好材料”。設計理念上從全壽命周期考慮性能和成本問題，發(fā)揮一體化設計優(yōu)勢；不能把壓力完全轉加給材料，需要認清材料，敢用材料，善用材料。

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(4)、重視和加強新型復合材料與技術的研發(fā)進程，推動概念驗證-技術突破-驗證轉化，與國外同步發(fā)展的有潛力的新興技術不能輸在起跑線上。進一步加大基礎研究支持范圍和力度，包括一些有潛力但暫時還不能產生明顯軍事效益的技術；建立“概念驗證-技術突破-驗證轉化”的良好機制和加速發(fā)展策略!