航天先进复合材料的现状与展望.pdf

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1、第 1 5卷第 2期 热 固 性 树 脂 3 7 3 千 航天先进复合材料的现状与展望 j，(航天 材料 及工 螈1 0 0 0 7 6)审 7 (航 天 材 料 及 工 艺 研 究 所 北 京 V 航天先 进复 合材料 是航 天高技 术重 要组 成之 一 对 航天 高技 术有举 足 轻重 的影 响。航 天高 技 术从 军事对 抗和 环境条 件方 面对先 进 复合材 料提 出了 许多特 殊 的需求 舟 绍 了航 天先 进复 合材 料 橛蝴，讹，遮 寺、关 键 词 复 合 材 料 高 技 术 航 天 寺 f，彳 、)愫 量 。l 前盲 先进复合材料是航天 高技术重要组成之 一，对航天工业有特别重

2、要意义。国内外的 经验都表明先进复合材料不但对降低航天飞 行 器的质量、对新一代 航天飞行器 的“小型 化”、“轻质化”有决定性 的影响，对改进武 器装备性 能和提高 战术技术性能指标更有举 足轻重的影响0 。美国第 一代 潜地导 弹北 极星 AI的壳体 材 料 采 用 超 高 强 度钢 AMS 一 6 4 3 4，射 程 为 Z Z O k m，当北极星 AZ的二级壳体采用比强 度较 AI MS 一 6 4 3 4更好 的玻纤 环氧复 合材料 后，射 程增 加到2 8 0 0 k m。三叉戟 I C4潜地导 弹的射程为 7 4 0 0 k m。射 程增 加的一个重要 因素 就 是 壳 体 材

3、料 采 用 了 高 比强 度 的 Ke v l a r 纤 维 环氧 HRB F 一 5 5复合材料。战略导弹再入大气层时，速度超过 2 0马 赫，温度 达 到 几 千 摄 氐度，压 力 超 过 1 O 1 3 MP 丑，热流高至 十几万 k J(m s)，过载超 过 1 0 0 g，碳 碳等 高级 防热复合材料是解决 在这样严峻条件下导弹得以生存的关键。2 航天高技术对先进复舍材料的需求 航天技术 的发 展对复合 材料有 以下十个 方面 的要 求，如图 1 所示。2 1 高 比强、高 比模满足“小型化”和“轻 质化”的要求。例如，把 固体火箭发动机的 质量 比提高到 0 9 2 O 9 3，

4、把导弹的质量减 r全天 抗棱 I 防 f=羹 金 粒 子 i 航 厂 生 存 性-1 L 厂 _ 1 隐 身 =高 l 抗 要 求 I 广 L 雷 达 被 吸 收 f l L探测 一 遗 波 J 癸 薯l 广 耐 高 温 L 求 七 耐空间原子氧 耐高低温文变 耐 空问辐射 L 阻 尼减 振降噪 维普资讯 http:/ 3 8 热 固 性 树 脂 2 0 0 0 年 4月 把武器系统的雷达散射面 积(RC S)降到 l O 1 。2 5全天 候要求 材料在任何 气候条 件下 可 以生存，包括天 然与 人工诱 发的粒子 云环境 下生存 的能力，保证武器 系统免受作战危害 及 威胁。2 6 高精度

5、应满 足武器装备 高精 度对材 料 的要求。例如，不变形和稳定外形等。2 7 阻尼减振、降噪要求。能 消除或降低武 器系统在点火、飞行、运行 中产 生的严重 的 振动与噪声，确保武器系统 的隐蔽性，生存 性和命 中率。2 8多功能要求 复合材 料具备两种或两种 以上的功能，像结构 隐身、结构 防热、结 构 防热 隐身、防热 隐身 抗核等。2 9 抗 核与光 电对抗要求材料具备抗核、抗 激光、抗粒 子束 定向能武 器的能力。2 1 0 特种环境要求满足航天飞行器在特种 环境 下的工作要求，像耐 高低 温交变、耐空 间辐照、耐原子氧等 3 航天先进复台材料的应用“3 1 战略导弹和运 载火箭 上应

6、 用：在战略 导 弹和运载火箭上应用先进复合材料的构 件主 要有：弹头端头帽(鼻锥)、上下截锥壳体、天线窗和底遮板f承受轴压载荷为主的发射 筒、弹体舱段、仪器舱体、级 间段 和卫星支 架等 f 此外还有支承仪器设备的平台支架、桁 架结构以及具有特殊要求的卫星整流罩等。战略导弹弹头质量不仅影响全弹起飞重 量，而且更 影响射程，战略导弹弹头质量每 减轻 1 k g可 以增 加射 程约 2 o k m，是 先进 复合材料在航天高技术应用 中最典 型也 是最 有意义 的重要领域。为实现机动发射，发射 筒是 目前最大的先进复合材料构件，MX导 弹的发射筒长 1 4 9 4 m，内径为 2 4 9 c m

7、，壁 厚 4 2 c m，重量 7 2 4 6 k g。截锥壳体 是 内环框 加强结构，由 9 0。n 土0 o 9 0。n铺 层上下端框、内部加 强框 构 成，结 构质 量较 铝 合 金减轻 3 O 以上。内外桁条加强结构 一般用于导弹，一 级 间段，这种有 内桁条加强 及内桁条环框加 强和外桁条加强结构，其结构质 量较铝 合金 也 可减轻 3 o 左 右。网格结构 是一种连续纤 维加筋复合材料结构元件，将单 独的加强筋 与加强环框和薄壳成为一个整体，可充分发 挥复合材料的特点，网格结构中的碳纤维强 度发挥率可达 9 5 ，与铝合金相 比质量可减 轻高达 4 o ，用于制作导弹级间段、过渡段

8、 和仪器舱段等。图 2和 3是我国研制生产的 先进复合材料仪器舱和碳 环氧复合材料内 外加强结构件。围 3 碳 环氧复合材料内外加盟结构件 第一代战略导弹弹头鼻锥材料是玻璃 酚醛或高硅氧 酚醛，属 于硅系复合材料。随 导弹射程增加、对精度和减轻质量要求的增 加，研制发展了第二代碳基复合材料，典型 的是三 向细编碳 碳复合材料，并 已成功地 用 作 MK一 1 2弹尖 鼻锥材 料和 固体 火箭发 动机 的喷管喉村材料。第三代弹头鼻锥防热材料 也是碳基复台材料，主要是改进了抗天然或 人为诱发粒子的碰撞与冲刷性能。三向正交 细编碳 碳复材料，解决了中等气候条件下粒 子侵蚀 问题，也 已成功地 用于

9、改进 型 MK一 1 2 l-口 维普资讯 http:/ 第 1 5卷第 2期 热 固 性 树 脂 3 9 弹头 更新 的弹头鼻锥防热材料是 针刺 细编 织 物的穿刺或编织过程 中加入 提高改进性 能 的组分，像耐熔 金属 丝、耐侵 蚀粒子 等，这 样可 以大 大改 善 抗 粒 子性 能，达到“全 天 候 的 目的。此外，四向或更多 向碳基复合 材料也是 研制发展 的方 向，由于采用 了交 错 网络结构和增 加了增强方 向数，不仅增加 了 各 向同性、提高了抗 侵蚀 能力，也改进 了耐 烧蚀性。由此可见，弹头 防热材料 的发展经 历 了 硅基”防热材料主要 用于 中低热流条 件 下的防热，“碳

10、基 防热材料主要用 于较 高 热流条件下的大面积防热，其 中碳 碳 防热材 料则用于高热流条件下的局部防热和抗氧化 的热结构。战略导弹弹头防热材料见表 1。衰 I 战略导弹弹头肪热复合材料 型 号 弹头类剐 防热复台材料 民兵 l B MKl l(1 l A)玻璃 酚醛，高硅氧 酚醛 民兵 2 MKl l B(1 l C)高硅 氧 酚醛 民兵 3 MKl 2 碳 酚醛 高硅氧 酚醛 MKl 2 A 三 向碳 碳 F 碳 酚醛 三王辊 l MK 4 三向碳 硪 碳 酚醛(C一4)(机动弹头)三卫 戟 2 MK5 三 向碳 碳，碳 酚 醛(D 一5)(机动弹头)MX MK 2 l 细编穿刺三向碳

11、硪 I 碳 酚醛(机动弹头)MK 2 l A 细编穿刺三向硪 碳 F 碳 酚醛 侏艉(机 动彝头)3 2 固体发 动机上应用：先进复合材料在 固 体发 动机 上主要 应用于发 动机的壳体和喷管 喉衬。固体发 动机战 略导弹 弹道计算 表 明，一、二、三级发动机壳体每减轻 结构 质量 I k g 将增 加射程相应为 0 6 k m、3 O k m 和 1 6 O k m左 右 可见减轻 固体 发 动机壳体 结构 质 量对增加战略导弹射程的重大意义，特别是 第三级发动机壳体质量对增加战略导弹射程 的意义更 大。制备 固体发动机复合材料壳体采用的增 强纤 维对复合材 料的性 能有费定性 的影 响，玻

12、璃 纤 维 比强 度 在 1 3 5 1 8 6，比模 量 在 2 8 3 0，在几种增强纤维 中性能是最 低的。芳纶 纤 维 比强 度在 2 6 3 3 0 2，比模量 在 8 4 8 8，较玻璃纤维要好得 多。碳纤 维 比 强度在 2 9 2 3 9 6，比模量在 1 4 7 1 6 6，是三种增 强纤维中性 能最好 的 不同增强纤 维 的性 能详见表 2。早期固体发动机壳体采用玻纤 环氧，像 北极星 A2 和海神 C 一 3等，7 0年代末为了减 轻质量就改用芳纶 环氧，像三叉戟 1、三叉戟 2和 MX导弹等，近年来用性能更好的碳纤维 环氧制备发动机壳体，像侏儒导弹等。表 3为 固体导弹

13、发动机壳体用先进复合材料。我国某 发动机第三级壳体如 E玻纤 环氧复合材料 结构 质量为 l 1 6 k g，如用芳纶(Ap mo c)环氧 结构质量可减至 7 1 k g，如用碳纤维 T一 8 0 0 环 氧结构质量仅为 4 6 k g。在先进复合材料中，衰 2 不 同增 置纤维 的性麓 密度 拉伸强度 拉伸模量 伸长率 比强度 比模量 奸维名称(g l c m )M P GP a 1 O c m 1 0 a c re E玻璃奸维 2 5 4 3 4 3 0 7 2 4 8 l 3 5 2 8 S 玻璃奸维 2 4 8 4 6 0 0 7 5 5 7 1 8 6 3 0 K一 4 9芳纶纤

14、维 l 4 4 3 7 9 0 l 2 1 2 5 2 6 3 8 4 AP MOC芳纶纤 维 1 4 4 4 3 5 0 l 2 7 4 O 3 0 2 8 8 I M 7碳奸 维 l 8 0 5 8 8 0 2 7 4 l _ 9 3 2 7 l 5 2 TT 0 0碳奸 维 1 8 O 5 l 5 0 2 7 4 1 7 2 9 2 l 4 7 T8 0 0 H碳奸 维 1 B 1 5 5 9 0 2 9 4 1 9 3 1 5 1 6 6 T1 0 0 0硪纤维 1 8 2 7 0 6 0 2 9 4 2 4 3 9 6 l 6 6 维普资讯 http:/ 4 O 热 固 性 树 脂

15、2 0 0 0 年 4 月 高性能碳纤维复合材料 是制 备固体导 弹发 动 机壳体最理 想的材料，用高性 能碳纤维 复合 材料制备固体导弹发动机壳体的容器效率高 达 4 3 X1 0 c m，由于高性能碳纤维复合材料 的比模量较芳纶纤维复合材料提高了 8 0 以上，因而解决了一些 战略 导弹大 长细 比的 刚度问题。表 3 同体导弹发动机壳体用先进蔓合材料 型号 发动机尺寸 壳体用先进复台材料 棒 神 一级 1 8 8 4 8 8 琏 纤 环氧(C一 3)二 级 1 8 8 2 4 8 玻 鲆 环氧 三叉就 1 一级 1 8 8 4 5 0 K一 4 s 环氧 二级 1 8 8 3 5 0 K

16、一 4 9 环氧(c-4)三鲠 1 8 8 2 4 5 K一4 s 环氧 三里载 2 一级 l _ 8 8 4 5 0 I M一 7 HB RF-5 5 A 二级 1 8 8 3 5 0 I M一 7 HBR F 一 5 5 A (D-5)三级 18 8 2 4 5 K 蚰 环氧 一级 2 3 4 8 4 4 K一 4 9 环氧 MX 二级 札 5 6 0 K一 4 9，环氧 三级 忱 2 3 3 K一 4 9 环氧 一级 1 6 8 X5 4 6 I M一 7，HBR F一 5 5 A 件儒 二 级 l _ 1 6 8 3 O O I M一 7 HB RF 一 5 5 A 三级+1 1 6

17、8 2 0 3 l M 7 m 睬 5 5 A 喷管喉衬早期采用钨合金和热解石墨，是多段多层多材料的积木式喷管。8 O 年代以 后 则采 用全碳 碳喷管，先进碳 碳复 合材 料 制备 的喷管不仅重量 轻、整体性好，而且 可 靠性高、成本低。3 3飞航导弹上应用 飞航导弹 的发展要求 速度快、射 程大、精度 高、机动性 好和 突防 能力强，因此对材 料要求具有高 比强、高 比 模、耐热和隐身等性能，先进复合材料是最 佳选 择。翼面是飞航导 弹的主要结构材料，采 用复合材料翼面可 以比铝 合金翼面减 轻质量 4 0 左右，一般采用碳一 玻 环氧或碳 环氧蒙 皮，铝蜂窝 夹芯或碳 环氧骨架、玻纤 环

18、氧 骨架 随 飞航导弹速度 的提高和新型雷达的 应用，雷达天线罩要求高性 能透 波复合材 料，像玻纤 环氧蒙皮，聚胺酯泡 沫夹芯或玻璃蜂 窝夹芯 为增 强飞航导弹的突 防能力，采用 薄壁、宽带、轻质和高衰减 的结构 吸波材料 来制造进气道、弹头罩和 舱段 等。表 4是战 斧式巡航导弹用先进复合材料 表 4 战斧式巡航导弹用先进蔓合材料 l 部 件 复合材料 头锰 KE VL AR 聚酰 亚胺 雷达 天线覃 琏 纤 环氧 进 气道 玻鲆 环氧 进气 遭整流 罩 石墨纤 维 橐酰 亚胺 尾翼 玻 纤 环氧 KE VL AR，环氧 尾锥 E一 玻 璃粗 纱 环氧 投射窖器 短碱纤维，环氧 4 航天

19、先进 复合材料 的展 望 0 4 1 除 了树脂 基复合材 料外，金属基复合材 料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料将得到 进一步 的应用。4 2 目前航天 复 合材料大 部分 采用 T一 3 0 0 类的碳纤 维，基体大多还是用环 氧树脂。这一 类复合材料 的性 能不能满足航天技术发展的 要求。T一 3 0 0碳纤维将逐步被性 能更高 的 T一 8 0 0或 T一 7 0 0所取 代；一般 环 氧树脂 也 将被 韧性更好、耐温更高的增 韧环氧树脂、双 马树 脂和聚 酰亚胺 树脂所取代。T-8 0 0的拉伸强 度 达 5 5 0 0 MP a，T一 7 0 0的拉 伸 强 度达 4 9 0 0 M

20、P a，用 T一 7 0 0和 T一 8 0 0碳纤维 制备 的复合 材料 其拉 伸强度 可达 2 2 0 0 2 8 0 0 MP a。使 用 温度 可提 高 到 2 0 0 3 0 0，这 会更 利 于 实现航天飞行器的小型化和轻质化 4 3 低成本化。国外 已经从过去 主要关 心性 能而把重心转到发展低成本生产技术，包括 原材料、复合工艺和质量控制等各个方面。例 如：采 用价 格低 廉 的工 业 级大 丝 束 碳纤 维(该种碳纤维每公斤将降到 1 0 美元左右)、用 R TM 技术制备复合材料构件等。预计先进 复合材料的成本可降低 3 O 5 0 ，这将为 大量采用先进复合材料奠定基础

21、4 4 多功 能化 逐步宴现结构复合材料与功 能复合材料的一体 化，向多功能化方 向发展，至少具备 两种或 两种 以上功 能 像 隐身 结 构、防热 结构、防热 抗核、阻尼 结构、防 维普资讯 http:/ 第 1 5 卷第 2 期 热 固 性 树 脂 4 1 热 抗核 结 构、防热 抗核 隐身等。4 5 智能 化。航天高 技术的发展要求 复合材 料能够根据环境变化，使 自身功能与之适应，并处 于最佳状 态 4 6 综合配套和集成技术航天复合材料技 术要 能够 成功地变为型号效 益，转化 为生产 力，一定要通过综合配套和集成技术。假 如 只是 就材 料研 究材料，而不是集设计、材料、工艺、测试

22、 为一体 对一系列单 个研 究项 目 进行 综合 集成，想取得 巨大 的型号效 益几 乎 是 不可能的。参考文献 1 赵稼祥 九五 军用新材料应用研究发展战略 军用 新材料应用研究发展战略论文集-1 9 9 3 t 1 8 9 党嘉立，赵稼样航天功能复合材料的现况与展望 复 合材料厦其结构的力学、设计、应用和评价 第三册(符出版)3 赵稼祥 先进复合材料的进展与展望 第九届垒国复 合材料会议论文集-1 9 9 6 t 2 1 2 3 4 陈铮，朱达通 碳 环氯卫星支架的研黼 第六届全国 复合材料会议论文集，1 9 9 0：9 7 9 8 5 鲜于开文 纤雏 璺绕复合材料在固体火箭发动机中的 应

23、用和发晨 复合材料在军事上的应用，1 9 8 9 t 8 0 8 5 6 邱毫中 江辉 国外巡航导弹用材辩工艺 宇航材料工 艺 t 1 9 9 8 l(4)：9 1 4 7 V P M e c o n ne l 1 C omp os it e s i n mi s s i l e s y s t e ms Adv a n e e d Comp os i t e s一1 99 2I(1 l 1 2)3 7 4 4 8 赵稼祥 军用先进材料技术 国防关健技术报告，1 9 9 6 9 党嘉立 赵稼祥 国防先进复合材辩的进展与晨望 在 中国复合材料学会第三敬垒国代表大会上的报告，1 9 9 9 1 o

24、赵穰样 复合材料的低成本生产技木 出国考察技术 报 告，1 9 9 8l(1)I 1 8 9 1 9 6 PRESENT STATUS AND PRoSPECT oF AERoS PACE ADVANCED CoM PoSI TE M ATERI ALS Zl mo J l a x l a n g (Ae r o s p a c e R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Ma t e r i a l s a n d Pr o c e s s i n g Te c h n o l o g y，Be i j i n g 1 0 0 0 7 6)Ab s t r

25、a ct Th e a e r o s p a c e a d v a n c e d c o mp o s i t e ma t e r i a l(AACM)wa s o n e o f i mp o r t a n t c o mp o n e n t p a r t s o f a e r o s p a c e h i g h t e c h a n d p r o v e d t o e x e rt a d e c i s i v e i n flu e n c e I n t h i s p a p e r t h e d e re _ a n d s o f a e r o

26、s p a c e h i g h t e c h o n AACM，a s we l l a s p r o g r e s s a n d p r o s p e c t o l AACM we r e b r i e fl y i n t r o d u c e d Ke y wo r d s；Co mp o s i t e ma t e r i a l s，Hi g h t e c h，Ae r o s p a c e (收稿 日期：1 9 9 9 1 1 1 9)(上接 第 2 9而)APPLI CATI oN oF DI CYCLoPENTADI ENE(DCPD)I N M AN

27、UFACTURE oF UNS ATURATED PoLYESTER RESI N Yi n Yanx i ng (F RP Re s e a r c h a n d De s i g n I n s t i t u te，Be i fin g 1 0 2 1 0 1)Ab s t r a c t So me me t h o d s o f mo d i f y i n g u n s a t u r a t e d p o l y e s t e r(UP)r e s i n b y d i c y c l。p e n t a d i e n e (DCPD)we r e p r e s

28、e n t ed i n t h i s p a p e r Th e UP mo d i fied r e s i n s h a d t h e c h a r a c t e fis i c s，s u c h a s a i r dr y i n g，c o r r o s i o n r e s i s t a n c e，h i gh t e mp e r a t u r e r e s i s t a c e，l o w s h r i n k a g e a n d s o o n Ke y wo r d s：Di c y c l o p e n t a d i e n e(DCP D)，Un s a t u r a t e d Po l y e s t e r(UP)，S y nt h e s i s p r o c e s s (收稿 日期：1 9 9 9 1 1 2 5)维普资讯 http:/