聚合物基复合材料在国防航空领域应用

 聚合物基复合材料是以有机高分子材料（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体，再辅以其他不同性能、不同形态的增强体设计而成。这样既保持了原组分材料的主要性能，又通过复合效应与协同效应获得原组分所不具备的新性能。

聚合物基复合材料与传统金属材料、工程材料相比，具有以下特点：

1. 1、比强度、比模量高

   在质量相等前提下，比强度和比模量是衡量材料承载能力和刚度特性的指标，对于在空中或太空中工作的航空航天材料来讲无疑是非常重要的力学性能。

1. 2、耐疲劳性能好，破损安全性能高

   金属材料的疲劳破坏常常是没有明显征兆的突发性破坏。而聚合物基复合材料的破坏是经历了基体开裂、界面脱黏、纤维拔出、断裂等一系列损伤的过程。因此在短期内不会因此而丧失承载能力。内部有缺陷、裂纹时，也不会突然发展而断裂。

1. 3、阻尼减震性好

   聚合物复合材料基体与纤维的界面有较大吸收振动能量的能力，致使材料的振动阻尼很高，即使振动起来，在较短时间内也可停下来。

1. 4、具有多种功能性

   瞬时耐高温、耐烧蚀性好；优异的电绝缘性和高频介电性能；良好的摩擦性能等；优良的耐腐蚀性；特殊的光学、电学、磁学的特性等等。

1. 5、各向异性和材料的可设计性

   聚合物基复合材料的力学性能及光、热、防腐、抗老化等性能都可以按照使用要求和环境，通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等手段，对复合材料进行合理设计，用最少的材料满足设计要求，有效发挥材料作用。

1. 6、良好的加工工艺性

   加工方式多样，可根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法。可整体成型，减少装配零件的数量，节省工时，节省材料，减小质量。

   鉴于聚合物基复合材料所具备的优势，20世纪40年代，美国首先用玻璃纤维和不饱和聚酯树脂复合（俗称玻璃钢），以手糊工艺制造军用雷达罩和飞机油箱，为玻璃纤维复合材料在军事工业中的应用开辟了道路。进入60年代以后，人们注意到玻璃钢的质量较大、模量较低，满足不了航天、航空、飞行器等高新产品对材料的高比强度和高比模量的要求，因此在60年代至70年代相继开发了质轻的碳纤维及其高比强度和高比模量的碳纤维复合材料。由此开辟了聚合物基复合材料在国防航空领域应用的新纪元。

   据统计，波音777的飞机结构中，聚合物基复合材料的应用占10%以上；空中客车A320中，聚合物基复合材料的应用占15%以上；聚合物基复合材料在民用飞机材料中的比率为15%~20%。各种军用飞机中聚合物基复合材料的应用比率已高达60%~90%。

   聚合物基复合材料在军用飞机上应用近30年来走过了一条由小到大、由弱到强、由少到多、由次结构受力到主结构受力件的发展道路。20世纪80年代后世界各国服役战斗机，其机翼、尾翼等部件基本上都采用ACM，ACM用量已达机体结构质量的20%~30%。1980年首飞的法国Rafale，其机翼、尾翼、垂尾、机身结构的50%均采用ACM。20世纪90年代，美国的F-22和瑞典的JAS-39以及法国的“阵风”等在垂尾、机翼、平尾及大轴等也采用了聚合物基复合材料作为主次承力构件，用量高达30~40%以上。1989年首飞的美国隐身轰炸机B-2的聚合物基复合材料结构用量为50%。我国设计的BZK-005远程无人侦察机蒙皮、整流罩、机翼等也大量采用聚合物基复合材料，用量占比高达60%~80%之间，也大大减小了机身重量。在近代直升机上聚合物基复合材料的用量较军用飞机还要多，目前高达50%~80%，甚至还产生了全复合材料基体直升机（NH-90直升机），聚合物基复材比例高达95%。

   伴随着聚合物基复合材料在军用飞机上获得的巨大成功，其他国防航空领域也相继采用聚合物基复合材料替代原有质重、性能欠佳的产品以提高整体性能。

   我国的亚音速岸舰、舰舰导弹天线罩采用环氧树脂基复合材料做蒙皮，聚氨酯泡沫做芯层以代替原料的金属材料减轻整体重量提高移动速度。我国长征火箭(CZ-2C、CZ-2E、CZ-3A)的卫星接口支架和有效载荷支架(前后端框、环框、壳段、弹簧支架、井字形梁) 也均采用了碳纤维增强环氧树脂基复材做为替代材料，可有效地减轻上级结构质量，对提高运载火箭发射有效载荷的能力具有十分明显的效果。

   在卫星和航天器上，美国和欧洲通过使用质轻的聚合物基复合材料使得卫星结构质量不到总质量的10%，我国卫星从20世纪80年代中后期起，也大量采用碳纤维/环氧树脂、碳纤维/氰酸脂、凯夫拉纤维/环氧树脂复合材料制造卫星上的主要结构部件（太阳能电池阵、有效载荷、本体结构、桁架）。

   大连疆宇新材料正在研发一种热塑型聚合物基透波复合材料，与传统热固型树树脂复合材料相比具有优异的加工可塑性，优异的耐温性、电绝缘性和高频介电性能以及破损安全性。可用于机载雷达的天线罩，卫星上的各主要结构部件，对其力学性能和透波性能有非常好的帮助。