引言
材料作為工業(yè)基礎(chǔ)，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(shù)，是現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)技術(shù)。新材料是國家新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。作為現(xiàn)代工業(yè)和裝備的共性關(guān)鍵技術(shù)，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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(fù)合化方向發(fā)展，特別是材料的復(fù)合化已經(jīng)成為21世紀(jì)新材料技術(shù)發(fā)展最為重要的方向之一。
復(fù)合材料是由兩種或兩種以上材料復(fù)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(jì)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(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用開始，到目前以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為代表的各種先進(jìn)復(fù)合材料，由于其優(yōu)越性能和可設(shè)計性等突出優(yōu)點，備受關(guān)注。復(fù)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(yīng)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(lǐng)域。 123456
復(fù)合材料的主要優(yōu)勢體現(xiàn)三個方面：(1)提高結(jié)構(gòu)效率：復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比模等突出優(yōu)點，它的應(yīng)用可顯著減輕裝備結(jié)構(gòu)重量，從而增加有效載荷，節(jié)約能量消耗或提高效率；(2)結(jié)構(gòu)/功能一體化：可實現(xiàn)特殊功能，提高抗極端環(huán)境能力，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)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(yīng)能力，并產(chǎn)生革命性的效果。圖1給出了軍用運輸機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)中復(fù)合材料用量的變化情況，事實證明，目前先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用水平和用量成為衡量新一代裝備先進(jìn)性的重要標(biāo)志。
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圖1． 復(fù)合材料在軍機(jī)民機(jī)中用量的變化情況
1. 復(fù)合材料的應(yīng)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(fù)合材料受重視程度一直呈上升趨勢，特別是21世紀(jì)以來尤為明顯，復(fù)合材料得到了國內(nèi)外的充分重視。2003年美國國防部委托國家科學(xué)院調(diào)研的“面向21世紀(jì)國防需求的材料研究”報告中指出：“到2020年，只有復(fù)合材料才有潛力獲得20-25%的性能提升”，得到國際上廣泛認(rèn)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(jìn)制造科學(xué)技術(shù)，……積極發(fā)展先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料和復(fù)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(shè)重點”的“技術(shù)創(chuàng)新工程”中重點提到了“碳纖維復(fù)合材料”。從應(yīng)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(jìn)復(fù)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)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(guān)注，有可能在“太空軍事化”上產(chǎn)生革命性影響，其中先進(jìn)復(fù)合材料功不可沒。在X-37B中使用了韌化單片纖維增強(qiáng)抗氧化復(fù)合材料(TURFOC)作為新型高溫?zé)岱雷o(hù)系統(tǒng)，其最高溫度不低于1700℃，并且首次應(yīng)用C/SiC復(fù)合材料作為熱結(jié)構(gòu)，使用碳纖維/雙馬來酰亞胺復(fù)合材料作為主結(jié)構(gòu)。大幅提升了飛行器的氣動性能、機(jī)動能力、有效載荷能力、可重復(fù)使用性能和結(jié)構(gòu)可靠性。 本文來自123
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圖2． X-37中所用的耐高溫TURFOC和碳纖維/雙馬復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)
2010年4月美國首次發(fā)射了HTV-2，在實現(xiàn)“全球快速到達(dá)”FALCON 新型戰(zhàn)略威懾和戰(zhàn)術(shù)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(hù)要求極其苛刻，其中C/C復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的工程化應(yīng)用是其重要的物質(zhì)保障。在該飛行器中使用了1650℃的C/C復(fù)合材料、 2000 ℃以上超高溫復(fù)合材料、 多層高效隔熱復(fù)合材料技術(shù)和大面積復(fù)合材料熱防護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)。是目前世界上最大、最復(fù)雜的C/C復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，也是整體承力熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的首次工程化應(yīng)用，大幅度提升了美國國防和工業(yè)界C/C研制及生產(chǎn)水平。 本文來自123
2011年，航天飛機(jī)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(hù)和主結(jié)構(gòu)復(fù)合材料技術(shù)取得了關(guān)鍵的技術(shù)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(fù)合材料熱防護(hù)結(jié)構(gòu)；其主承力結(jié)構(gòu)采用新型樹脂基復(fù)合材料，大大減輕了結(jié)構(gòu)重量，令隔熱層更薄，結(jié)構(gòu)效率更高。其有效載荷能搭乘6名飛行員，返回艙可重復(fù)使用10次，其返回艙結(jié)構(gòu)尺寸直徑達(dá)5米，成本降到1000萬美元。
無人機(jī)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(jī)的發(fā)展，從全球鷹到全球觀察者，再到西風(fēng)和禿鷹，超輕超大復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)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(guān)鍵。 本文來自123
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圖3． 幾種無人機(jī)復(fù)合材料用量和續(xù)航能力比較
上述幾個無人機(jī)大量使用復(fù)合材料，提高了覆蓋范圍和生存能力；大展弦比機(jī)翼不斷增大，增長了駐留時間；全復(fù)合材料無人機(jī)是主流發(fā)展方向；超大和超輕結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是其發(fā)展趨勢。 本文來自123
1.2范圍越來越廣
先進(jìn)復(fù)合材料在裝備中的應(yīng)用范圍越來越廣，不僅在航空航天領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大，逐步拓展到陸地、海洋、信息等各個領(lǐng)域。
近年來，耐高溫陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)一些熱端部件的應(yīng)用取得進(jìn)展，如F-35 發(fā)動機(jī)(F136)的第三級渦輪導(dǎo)向葉片，耐溫可達(dá)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(fù)合材料在噴氣式發(fā)動機(jī)熱端部件的首次工程化應(yīng)用。 123,123
樹脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)的較低溫區(qū)應(yīng)用效果明顯，大幅減重和降低成本，如發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片和風(fēng)扇機(jī)匣等位置，比如GE公司的F404發(fā)動機(jī)外涵機(jī)匣重量和成本均降30%，普惠公司的PW4084和PW4168發(fā)動機(jī)風(fēng)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(jī)動和長壽命提出更高要求，復(fù)合材料船艦結(jié)構(gòu)技術(shù)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(xiàn)。美國加利福尼亞大學(xué)教授Robert Asaro說: “同一個多世紀(jì)以前在船舶結(jié)構(gòu)中用鋼鐵代替木材一樣，這也將是一場技術(shù)革命”。比如美國朱姆沃爾特(Zumwalt)驅(qū)逐艦艦體和艙室使用碳纖維夾層復(fù)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(jié)構(gòu)采用了碳纖維復(fù)合材料，時速可達(dá)92 km/h，再如世界最先進(jìn)的全復(fù)合材料隱身戰(zhàn)斗艦艇——瑞典的“維斯比”。復(fù)合材料的應(yīng)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(fù)合材料的應(yīng)用在陸基裝備中同樣取得大量應(yīng)用，包括戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)、發(fā)射平臺、坦克裝甲以及橋梁等技術(shù)領(lǐng)域。比如戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的彈體、發(fā)射筒就大量采用了復(fù)合材料。在21世紀(jì)，復(fù)合裝甲已經(jīng)成為主戰(zhàn)坦克的主要標(biāo)志，如陶瓷-金屬復(fù)合材料、編織復(fù)合材料等。美國正在研究輕型復(fù)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(jī)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(shù)是電子信息戰(zhàn)的重要技術(shù)領(lǐng)域。隱身材料的發(fā)展和應(yīng)用已成為決定隱身技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，既能隱身又能承載的多功能復(fù)合材料是一個重點研究領(lǐng)域。美國的空對地stanf-off遠(yuǎn)射導(dǎo)彈 (JASSM) 開始應(yīng)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(jìn)行了纖維創(chuàng)新應(yīng)用、復(fù)合材料彈體由編織復(fù)合材料構(gòu)成，利用RTM工藝制備。美國B-2隱身轟炸機(jī)和F/A-22隱身多用途戰(zhàn)斗機(jī)均在不同部位大量使用了結(jié)構(gòu)型吸波材料，隱身復(fù)合材料成為先進(jìn)隱身飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈及其它隱身武器的首選技術(shù)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(jìn)復(fù)合材料在裝備中從非承力、次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)和全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(fù)合材料制備工業(yè)界的關(guān)系也愈發(fā)密切
圖4給出了幾種戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料用量對比圖，從F16到F22，從F35再到B-2，復(fù)合材料用量越來越大，F(xiàn)-35主要用在了機(jī)翼、機(jī)身、垂尾、平尾、進(jìn)氣道等位置，而B-2采用翼身融合，廣泛應(yīng)用了層壓板、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、混雜，用量達(dá)到了50%。 內(nèi)容來自123456
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圖4． 幾種戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料用量對比
歐洲A400M軍用運輸機(jī)在制造過程中廣泛使用了復(fù)合材料(英國GKN宇航公司負(fù)責(zé)為A400M制造復(fù)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(jī)。該機(jī)擁有高懸浮起落裝置，可以在短距離內(nèi)完成起飛和降落；在執(zhí)行空投和戰(zhàn)術(shù)飛行過程中，該機(jī)擁有很好的低速運行穩(wěn)定性；該機(jī)還具備遠(yuǎn)距離高速巡航的能力，可以執(zhí)行長距離機(jī)動運輸任務(wù)。歐洲A400M運輸機(jī)可以進(jìn)行空中加油，完成長距續(xù)航；同時在兩小時內(nèi)，該機(jī)可改裝作為空中加油機(jī)使用。其復(fù)合材料用量達(dá)35-40%，其碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼占翼結(jié)構(gòu)重量的85%，減重20-25%，開創(chuàng)了大型復(fù)合材料運輸機(jī)機(jī)翼的先例 123,123
美國空軍實驗室和洛馬公司的先進(jìn)復(fù)合材料運輸機(jī)(ACCA，現(xiàn)稱X-55A)計劃，主要驗證快速設(shè)計與低成本制造大型結(jié)構(gòu)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(jī)身全長19.8米全為碳纖維蒙皮和夾層結(jié)構(gòu)，采用非熱壓罐成型(2010年1月完成了全尺寸的技術(shù)驗證機(jī))。
1.4需求越來越強(qiáng)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(shù)和創(chuàng)新思想受限于材料技術(shù),軍用復(fù)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(shù)途徑，需求越來越強(qiáng)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(fù)合材料)作為重點發(fā)展材料，未來滑翔式機(jī)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(yīng)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(nèi)開始重視發(fā)展UHTCC。
長時間超高溫結(jié)構(gòu)完整性要求是高超聲速飛行器關(guān)鍵部位熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計首先必須解決的技術(shù)瓶頸問題，陶瓷基復(fù)合材料體系是最有望成為解決此問題的有效技術(shù)途徑。美國軍方認(rèn)為超高溫陶瓷技術(shù)的突破，給飛行器設(shè)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(dá)到2830℃，可重復(fù)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(jié)構(gòu)”( 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(zhì)和多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是其關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一。 內(nèi)容來自123456
2. 復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展動態(tài)
復(fù)合材料的原材料、制造和工藝設(shè)計與新型復(fù)合材料得到了足夠的重視和發(fā)展。
隨著復(fù)合材料在新一代裝備中應(yīng)用需求不斷增加，主導(dǎo)復(fù)合材料性能的增強(qiáng)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(qiáng)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(lǐng)域的需求占到50%，宇航領(lǐng)域占25%，其它領(lǐng)域占25%。而且繼T800、T1000之后，Zylon、HS、M65J、M5等PAN基高強(qiáng)、高模碳纖維以及無機(jī)(陶瓷)、有機(jī)(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(qiáng)調(diào)強(qiáng)韌性、功能性和工藝性的協(xié)調(diào)發(fā)展方向。 本文來自123
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圖6． 碳纖維的需求趨勢
隨著裝備需求的不斷擴(kuò)大，對于樹脂基復(fù)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(jī)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。 123456
復(fù)合材料制造工藝非常重要，占復(fù)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(shù)是先進(jìn)復(fù)合材料制備的重點發(fā)展方向，以自動鋪帶技術(shù)(ATL)和自動鋪絲技術(shù)(AFP)為代表的自動化制造裝備在大型主承力結(jié)歐洲A400M飛機(jī)就采用了以鋪帶技術(shù)為主的自動鋪放技術(shù)。
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圖7． A400M 大型軍用運輸機(jī)翼梁
內(nèi)容來自123456
以非熱壓釜工藝和液體成型為代表的低成本工藝技術(shù)也發(fā)揮越來越重要的作用，并有望成為降低復(fù)合材料成本的關(guān)鍵技術(shù)。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(fù)雜構(gòu)型結(jié)構(gòu)。比如美國陸軍CH -47運輸直升機(jī)，利用新工藝后，其發(fā)動機(jī)吊架結(jié)構(gòu)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(fù)合材料的設(shè)計水平在一定意義上決定其應(yīng)用水平，應(yīng)充分發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)越性能，科學(xué)設(shè)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。 123456
復(fù)合材料作為一種新材料，隨著材料科學(xué)、技術(shù)和應(yīng)用水平的不斷提高，新型復(fù)合材料，如納米復(fù)合材料，智能復(fù)合材料以及仿生復(fù)合材料不斷出現(xiàn)，這也是其技術(shù)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(fù)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(dǎo)因素之一，鑒于我們目前的發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)考慮在以下幾個進(jìn)行加強(qiáng)和深化。
(1)、高性能增強(qiáng)體的研發(fā)，特別是高性能碳纖維的研發(fā)非常重要，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)T300級碳纖維性能穩(wěn)定性和工程化研究和開發(fā)；加強(qiáng)T800、T1000級等中高端國產(chǎn)碳纖維的預(yù)先研究，重要裝備的發(fā)展應(yīng)立足于國產(chǎn)碳纖維。 copyright 123456
(2)、從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，應(yīng)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(fù)合材料的制備能力。國外復(fù)合材料在F-22、F-35和B-2等裝備上的成功應(yīng)用，主要依賴于其先進(jìn)的復(fù)合材料工藝和生產(chǎn)裝備；雖然Boeing、AirBus都在中國建廠合作生產(chǎn)部件，但裝備和工藝方面的核心技術(shù)仍受其控制，軍用方面的技術(shù)更是進(jìn)行了嚴(yán)格的技術(shù)封鎖。
(3)、進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)計、分析、檢測和評價技術(shù)研究，提高復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)成熟度；準(zhǔn)確把握我國復(fù)合材料技術(shù)現(xiàn)狀和趨勢，“用好”材料，而不簡單是用“好材料”。設(shè)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(shè)計優(yōu)勢；不能把壓力完全轉(zhuǎn)加給材料，需要認(rèn)清材料，敢用材料，善用材料。 123,123
(4)、重視和加強(qiáng)新型復(fù)合材料與技術(shù)的研發(fā)進(jìn)程，推動概念驗證-技術(shù)突破-驗證轉(zhuǎn)化，與國外同步發(fā)展的有潛力的新興技術(shù)不能輸在起跑線上。進(jìn)一步加大基礎(chǔ)研究支持范圍和力度，包括一些有潛力但暫時還不能產(chǎn)生明顯軍事效益的技術(shù)；建立“概念驗證-技術(shù)突破-驗證轉(zhuǎn)化”的良好機(jī)制和加速發(fā)展策略!
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