復(fù)合材料，這一由兩種或多種不同性質(zhì)材料通過物理或化學(xué)方法精心制成的宏觀（或微觀）新性能材料，憑借其綜合性能，實(shí)現(xiàn)各組成材料的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，受到各領(lǐng)域的青睞。
這種材料的綜合性能往往超越了其原始組成，從而滿足了各種復(fù)雜的應(yīng)用需求。在航空和軍工領(lǐng)域，復(fù)合材料的廣泛使用已成為衡量軍用裝備先進(jìn)性的關(guān)鍵指標(biāo)。其崛起不僅豐富了現(xiàn)代材料的選擇，更推動(dòng)了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等高性能材料的誕生，使其成為軍民裝備制造中不可或缺的候選材料。

復(fù)合材料的分類

復(fù)合材料可依據(jù)其基體材料類型、增強(qiáng)材料的形態(tài)以及功能特性進(jìn)行細(xì)分。

基體材料類型：

1、金屬基復(fù)合材料，如鋁基、鈦基等；

2、有機(jī)非金屬基復(fù)合材料，如樹脂基；

3、無機(jī)非金屬基復(fù)合材料。

增強(qiáng)材料的形態(tài)：

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，如碳纖維；

2、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料；

3、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；

4、片狀增強(qiáng)復(fù)合材料，如納米碳管。

功能特性：

1、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；

2、功能復(fù)合材料，如導(dǎo)電、光導(dǎo)纖維等；

3、智能復(fù)合材料，如形狀記憶合金。
 

復(fù)合材料的特性

相較于單一材料，復(fù)合材料展現(xiàn)出諸多特性，能夠彌補(bǔ)單一材料的不足，并充分發(fā)揮各材料的優(yōu)勢(shì)，賦予材料全新性能。此外，它還能根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和受力需求，進(jìn)行預(yù)定的性能設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)材料性能的優(yōu)化。

具體來說，復(fù)合材料的特性包括：

高比強(qiáng)度與高比模量：（碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的比模量是鋼和鋁合金的5倍，比強(qiáng)度也高出3倍以上）。

耐疲勞性：纖維復(fù)合材料對(duì)缺口和應(yīng)力集中的敏感性較低，其界面能改變裂紋擴(kuò)展方向，從而提高疲勞強(qiáng)度。例如，碳纖維不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料的疲勞極限可達(dá)到其拉伸強(qiáng)度的70%~80%，遠(yuǎn)高于金屬材料。
強(qiáng)大的抗斷裂能力：纖維復(fù)合材料中包含大量獨(dú)立纖維，當(dāng)少數(shù)纖維斷裂時(shí)，荷載能重新分配給其他未斷裂的纖維，使構(gòu)件不易突然破壞，從而提高抗斷裂韌性。
優(yōu)異的減振性能：結(jié)構(gòu)自振頻率與材料比模量平方根成正比，因此采用高自振頻率的復(fù)合材料可避免共振及早期破壞。
良好的耐高溫與抗蠕變性能：復(fù)合材料能在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定，抗蠕變能力也較強(qiáng)。
由于纖維材料在高溫環(huán)境下仍能保持其高強(qiáng)度特性，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，例如碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料，相較于樹脂基體，其耐熱性得到了顯著提升。特別是在金屬基復(fù)合材料方面，其耐熱性更是展現(xiàn)出了強(qiáng)大的性能。例如，鋁合金的強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高而迅速下降，然而，通過石英玻璃增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，在500℃的高溫下仍能保持室溫強(qiáng)度的40%。此外，碳化硅纖維、氧化鋁纖維與陶瓷的復(fù)合材料，在空氣中能夠耐受1200~1400℃的高溫，這甚至超過了所有高溫度合金的耐熱性。

此外，復(fù)合材料還具有耐腐蝕性。許多種類的復(fù)合材料都能抵御酸堿的侵蝕。例如，玻璃纖維增強(qiáng)的酚醛樹脂復(fù)合材料，在含有氯離子的酸性介質(zhì)中可以長(zhǎng)期使用，因此非常適合用于制造化工管道、泵、閥、容器和攪拌器等設(shè)備。

再者，復(fù)合材料還具備優(yōu)良的減摩性、耐磨性和自潤(rùn)滑性。其制造工藝簡(jiǎn)單，適合整體成型，因此在制造過程中就能直接獲得制件，減少了零部件、緊固件和接頭的數(shù)量，從而節(jié)省了原材料和工時(shí)。

航天航空領(lǐng)域一直是復(fù)合材料得到廣泛應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。

復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用。航天器需要在惡劣的環(huán)境下工作，如高溫、低溫、真空等條件下，傳統(tǒng)金屬材料可能無法滿足需求。而復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫、耐低溫、耐腐蝕等性能，可以有效應(yīng)對(duì)航天器在惡劣環(huán)境下的挑戰(zhàn)。因此，航天器的熱保護(hù)層、外殼、熱控件等部件都開始采用復(fù)合材料制造，以確保航天器在太空中的正常運(yùn)行。

復(fù)合材料在航空領(lǐng)域中用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。傳統(tǒng)的金屬材料雖然具有較高的強(qiáng)度，但重量較大，影響了飛機(jī)的燃油效率。而復(fù)合材料由于具有較輕的重量和優(yōu)異的強(qiáng)度，可以減輕飛機(jī)的自重，提高燃油效率，降低飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本。因此，飛機(jī)的機(jī)身、翼面、尾翼等結(jié)構(gòu)件都開始采用復(fù)合材料制造，以提高飛機(jī)的性能和安全性。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)減重中有高達(dá)70%的比例是由航空材料技術(shù)的進(jìn)步所貢獻(xiàn)的。使用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的飛機(jī)，在減輕重量、降低燃油消耗、減少維修成本以及延長(zhǎng)使用壽命方面都展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。

復(fù)合材料還在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等軍工領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的性能要求高，需要具有優(yōu)異的耐高溫、耐沖擊等性能，而復(fù)合材料正是能夠滿足這些要求的材料之一。導(dǎo)彈和衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件也需要具有輕量化、高強(qiáng)度、耐腐蝕等特點(diǎn)，因此復(fù)合材料的應(yīng)用可以提高導(dǎo)彈和衛(wèi)星的性能和可靠性。

軍用飛機(jī)

當(dāng)前，世界軍機(jī)中復(fù)合材料的占比差異較大，通常在20%至50%之間。這些復(fù)合材料主要用于制造整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、機(jī)翼以及中前機(jī)身等關(guān)鍵部件。若復(fù)合材料占比達(dá)到約50%，則意味著飛機(jī)的絕大部分結(jié)構(gòu)都將由復(fù)合材料構(gòu)建，例如B-2隱形轟炸機(jī)便是一個(gè)典型的例子。

民用飛機(jī)

復(fù)合材料在民用飛機(jī)中的應(yīng)用經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段。最初，在20世紀(jì)70年代中期，它們主要被用于制造受力較小的構(gòu)件，如前緣、口蓋、整流罩和擾流板等。到了20世紀(jì)80年代中期，復(fù)合材料的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，開始涉及升降舵、襟副翼等受力較小的構(gòu)件。隨后，在第三個(gè)階段，復(fù)合材料開始被應(yīng)用于受力較大的垂尾和平尾等關(guān)鍵構(gòu)件。例如，波音777飛機(jī)的垂尾和平尾就采用了復(fù)合材料，其占比達(dá)到11%。而到了第四個(gè)階段，復(fù)合材料更是被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的主要受力部件，如機(jī)翼和機(jī)身。以波音787夢(mèng)想飛機(jī)為例，其復(fù)合材料的用量高達(dá)50%，甚至超過了鋁、鋼、鈦等金屬材料的總重量。

直升機(jī)

無論是軍用、民用還是輕型直升機(jī)，都廣泛使用了碳纖維復(fù)合材料。這些直升機(jī)的復(fù)合材料用量通常占結(jié)構(gòu)重量的40%至60%。例如，美國(guó)武裝直升機(jī)科曼奇（RAH-66）的復(fù)合材料使用量達(dá)到了50%，而歐洲NH-90直升機(jī)的復(fù)合材料使用量更是高達(dá)80%，接近全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

無人機(jī)

軍用無人機(jī)在追求輕量化的過程中，大量采用了復(fù)合材料。以美國(guó)X-45系列飛機(jī)為例，其復(fù)合材料使用量超過90%，而X-47系列飛機(jī)更是幾乎全采用復(fù)合材料構(gòu)建。同時(shí)，“全球鷹”無人偵察機(jī)的機(jī)翼、尾翼、后機(jī)身以及大型雷達(dá)罩等關(guān)鍵部件，也均由復(fù)合材料精制而成。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)

復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用，不僅體現(xiàn)了其技術(shù)先進(jìn)性，更對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提升有著顯著影響。樹脂基復(fù)合材料憑借其強(qiáng)大的比強(qiáng)度和比模量，為高推比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的減重、效率提升以及成本降低等方面帶來了實(shí)質(zhì)性幫助。這些材料主要被用于發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端部件，如渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片和導(dǎo)向葉片等，工作溫度控制在150-200℃以下。

而在熱端部件方面，由于特殊的高溫環(huán)境需求，金屬基、陶瓷基以及碳/碳復(fù)合材料則發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。例如，SiC長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料（Ti-MMC）以其高比強(qiáng)度、耐高溫等特點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中占據(jù)了不可或缺的地位。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，更多金屬基復(fù)合材料如整體葉環(huán)、機(jī)匣和渦輪軸等部件，也將逐步采用這些高性能材料進(jìn)行制造。

其他國(guó)防軍工行業(yè)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其獨(dú)特的放熱、隔熱和耐高溫特性，在航天工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。此外，高強(qiáng)度玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料在多管遠(yuǎn)程火箭彈和空空導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)制造以及耐燒蝕隔熱方面也展現(xiàn)了性能，實(shí)現(xiàn)了噴管收斂段、擴(kuò)張段和尾翼架的一體化設(shè)計(jì)，有效減輕了武器質(zhì)量，提升了戰(zhàn)術(shù)性能。
碳纖維復(fù)合材料在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，例如“飛馬座”運(yùn)載火箭、“三叉戟”II導(dǎo)彈以及“侏儒”導(dǎo)彈等型號(hào)，均選用了復(fù)合材料來制造固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)，美國(guó)戰(zhàn)略導(dǎo)彈MX導(dǎo)彈和俄羅斯戰(zhàn)略導(dǎo)彈“白楊”M導(dǎo)彈的發(fā)射筒，也采用了先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)。

在艦船領(lǐng)域，復(fù)合材料技術(shù)同樣取得了顯著進(jìn)展，已逐步達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平。美國(guó)海軍的“福特”號(hào)航母、“弗吉尼亞”級(jí)潛艇以及DDG1000驅(qū)逐艦等裝備，都大量采用了復(fù)合材料。此外，英國(guó)海軍45型驅(qū)逐艦的綜合桅桿也采用了夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，這種材料不僅具有隱身效果，還能減少天線維護(hù)工作。

中國(guó)在航空復(fù)合材料領(lǐng)域的發(fā)展也值得關(guān)注。自20世紀(jì)60年代開始，中國(guó)便著手研究復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。經(jīng)過數(shù)十年的努力，國(guó)內(nèi)已形成了以環(huán)氧、雙馬和聚酰亞胺為主要成分的復(fù)合材料體系，以及熱熔預(yù)浸制造技術(shù)和熱壓罐成形技術(shù)為核心的成型技術(shù)體系。目前，國(guó)內(nèi)幾乎所有在役軍機(jī)都在不同程度上采用了復(fù)合材料，其應(yīng)用范圍包括前機(jī)身、垂尾、平尾等多個(gè)部件。在新一代軍機(jī)上，復(fù)合材料的應(yīng)用更加廣泛，主要應(yīng)用在機(jī)翼、鴨翼、尾翼等關(guān)鍵部位，用量達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的近20%。大型運(yùn)輸機(jī)運(yùn)20也廣泛使用了復(fù)合材料，主要應(yīng)用于垂尾、平尾等部位。新一代直升機(jī)的復(fù)合材料用量更是達(dá)到了34%左右，應(yīng)用規(guī)模有了顯著提升。
預(yù)計(jì)未來國(guó)產(chǎn)軍機(jī)將進(jìn)一步突破相關(guān)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)材料技術(shù)，使得復(fù)合材料的使用量有望提升至約25%，同時(shí)減重效率也將從20%提升至30%。這一技術(shù)革新將使得機(jī)翼、機(jī)身等關(guān)鍵主承力結(jié)構(gòu)能夠更多地采用復(fù)合材料，從而在實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)的同時(shí)，還能充分利用復(fù)合材料的耐腐蝕性、隱身性能以及保形天線等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

總的來說，復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成為一種潮流。隨著科技的不斷發(fā)展和材料制造技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)合材料將會(huì)在航空航天領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用，為航空航天事業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。相信在未來的航空航天領(lǐng)域中，復(fù)合材料將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用，為人類探索宇宙、征服天空提供更好的技術(shù)支持。

免責(zé)聲明：僅用于復(fù)合材料專業(yè)知識(shí)和市場(chǎng)資訊的交流與分享，不用于任何商業(yè)目的。若涉及文章版權(quán)或?qū)?nèi)容有疑議，請(qǐng)馬上聯(lián)系我們。我們將及時(shí)進(jìn)行處理。