航空树脂基材料

碳纤维增强复合材料

纤维增强的聚合物复合材料正在迅速普及，成为飞机、航天器、卫星、导弹制造的首选材料。

  近年来，已在全球多个航空航天项目中用作主要结构材料，碳纤维具有耐腐蚀、符合轻量化的发展趋势、低热膨胀系数等优点。碳纤维复合材料凭借优异的力学性能被越来越多地应用于航空航天工业。

  过去十年，在航空复合材料领域一直在降低成本，提高零部件性能并减轻零部件重量，复合材料现已在飞机中获得公认的地位，而碳纤维增强材料已成为辅助组件如（机翼活动翼，襟翼，扰流板，方向舵，直升机叶片，座椅，肋骨，室内装饰，舷窗，扶手等），并已进入主要结构组件，例如主翼，机尾，机身，完整的水平稳定器和垂直稳定器结构。已大量使用在波音787和空客A350、A380等。

  卫星结构对强度、刚度以及使用环境的要求与飞机结构有明显差别，卫星结构设计在满足强度的条件下主要解决刚度的问题，因此需要采用具有一定强度的高模量复合材料。

  目前已广泛用于航空航天，火箭，导弹和飞行设备及发射装置。

  用作航空和航天器的结构材料，如（火箭排气锥，发动机罩与壳体；卫星结构，太阳能电池板和天线，运载火箭等）。

  碳纤维复合材料在导弹中用于舵面、天线罩、整流罩、进气道，导弹弹头，弹壳等。

                    树脂基复合材料的主要缺陷

树脂基复合材料是一种非均匀、多界面结构，其内部缺陷特征和无损评估方法与金属材料有较大差异。在树脂基复合材料的制造及使用过程中易形成孔隙、孔洞、分层、脱粘、夹杂、疏松、基体开裂、贫胶、富胶、纤维含量不正确、裂纹、纤维屈曲与错位等缺陷。

  表 1 列举部分树脂基复合材料内部缺陷种类、成因及特征。

图一是材料内部缺陷示意图

复合材料内部缺陷的存在可造成材料局部应力集中以及强度、刚度等力学性能下降等现象。当缺陷达到一定严重程度时，甚至引起结构失效。因此，用于复合材料制造和服役阶段缺陷评估的无损检测技术对于保障构件使用可靠性具有重要意义。

相比于传统材料，先进树脂基复合材料具有鲜明的高比强度、高比刚度等性能优势，可以满足空天往返飞行器的轻量化结构设计与制造需求。从国外空天往返飞行器轻量化结构系统研制进展可见，匹配不同结构部段使用温度的高性能碳纤维增强树脂基复合材料，是飞行器轻质机体主承力、次承力结构选用的主要结构材料；依据飞行器机体结构特点和受力工况，综合考虑不同复合材料制造工艺特点、制造成本等因素，采用合适的制造工艺实现结构件的最优制造。高性能树脂基结构复合材料已经应用到以X-33、X-37B、HOPE-X为代表的空天飞行器机体结构件研制中，验证了空天飞行器用轻量化结构和材料技术，应用成熟度达到较高水平。先进树脂基结构复合材料技术是空天往返飞行器轻质结构件研制的核心技术之一，也是实现飞行器总体性能的关键一环。

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