复合材料学报ActaMateriaeCompositaeSinica
文章编号:10002007)01第24卷 Vol.24
第1期 2月 2007年No.1
February
2007
先进复合材料与航空航天
杜善义*
(哈尔滨工业大学,哈尔滨150001)
摘 要: 复合化是新材料的重要发展方向,先进复合材料已经成为航空航天结构的基本材料之一。本文中阐述了先进复合材料在航空航天领域的应用需求和现状,介绍了诸如点阵、纳米、多功能复合材料与结构等研发热点和前沿技术,并讨论了其研发与应用趋势。最后,重点讨论了复合材料的原材料技术、低成本技术、设计/评价一体化技术等亟待解决的问题。
关键词: 先进复合材料;航空航天;低成本;设计/评价一体化中图分类号: TB33 文献标识码:
Advancedcompositematerialsandaerospaceengineering
DUShanyi
*
(HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)
Abstract: Advancedcompositematerials(ACM)havebecomethebasicmaterialsoftheaerospaceengineering.Inthispaper,therequirementsandtheapplicationsofACMintheaerospaceengineeringwerepresented.Somehot-spottechnologicalfields,suchaslatticematerialsandstructures,nano-compositematerialsandmulti-functionalmaterials,wereintroduced.Theirpotentialapplicationsanddevelopmentswereprospected.Finally,theproblemstoberesolvedaboutrawmaterials,lowcost,integrationofdesignandevaluationinACMwerediscussed.Keywords: advancedcompositematerials;aerospace;lowcost;integrationofdesignandevaluation
1 先进复合材料是航空航天的重要物质基础与先导技术
1.1 先进复合材料已成为四大类材料之一
材料是社会发展的物质基础和先导,而新材料则是社会进步的重要里程碑。新材料技术是支撑当今人类文明的现代工业关键技术,新材料技术一直是世界各国科技发展规划之中一个十分重要的领域,它与信息技术、生物技术、能源技术一起,被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高技术。复合化是新材料的重要发展方向,也是新材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一。复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一
[1]
一般材料的简单混合有本质的区别
[2]
。所谓先进复
简称
合材料(Advancedcompositematerials,
ACM)是指用碳纤维等高性能增强相增强的复合材料,对于先进树脂基复合材料,在综合性能上与铝合金相当,但比刚度比强度高于铝合金
[3]
。本文中
主要针对先进复合材料(主要指先进树脂基复合材料)及其在航空航天中的应用进行评述与讨论。
随着复合材料的广泛应用和人们在原材料、复合工艺、界面理论、复合效应等方面实践和理论研究的深入,使人们对复合材料有了更全面的认识。现在人们可以更能动地选择不同的增强材料(颗粒、片状物、纤维及其织物等)与基体进行合理的性能(功能和力学)设计(如宏观的铺层设计、微结构设计等),采用多种特殊的工艺使其复合或交叉结合,从而制造出高于原先单一材料的性能或开发出单一材料所不具备的性质和使用性能,如优异的力学性能、物理-化学多功能(电、热、磁、光、耐烧蚀等)或生物效应的各类高级复合材料。因此“复合”涵盖的
,见图1。
复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料,它既能保留原有组分材料的主要特色,又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同,从而获得原组分材料无法比拟的优越性能,与
收稿日期:2006;收修改稿日期:2006通讯作者:杜善义,院士,研究方向为复合材料、固体力学及飞行器结构 E-mail:[email protected]
图1 材料的相对重要性[1]
Fig.1 Relativeimportanceofmaterials[1]
范围也越来越广:从宏观尺度的复合到微观尺度的复合;从结构材料到结构功能一体化材料和功能复合材料;从简单复合到非线性复合效应的复合;从复合材料到复合结构;从材料的机械设计到仿生设计。1.2 先进复合材料的优越性
先进复合材料的高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计等优势已被世人所共识,图2显示了复合
材料高比强高比模的突出优势。
机械及热、声、光、电、防腐、抗老化等性能都可按照构件的使用或服役环境条件要求,通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段,最大限度地达到预期的目的,以满足工程结构设计的使用性能,同时由于复合材料具有各向异性和非均匀性,可以通过合理的设计消除材料冗余,最大程度发挥材料及结构的潜力和效率。
(2)材料与结构一体化。复合材料构件与材料是同时形成的,一般不再由“复合材料”加工成复合材料构件,使之结构的整体性好,大幅度减少零部件和连接件数量,从而缩短加工周期,降低成本,提高可靠性。
(3)复合效应。复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的,但它不是几种材料的简单混合,而是按照复合效应形成的新的性能,这种复合效应是复合材料仅有的,图3显示了通过复合效应,复合材料可以克服单一材料的某种性能缺陷。
(4)材料性能对复合工艺的依赖性。复合材料结构在形成过程中有组分材料的物理和化学变化,因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程
图2 先进复合材料与金属的比强度与比刚度[4]Fig.2 Specificstrengthandstiffnessofadvanced
compositematerialsandmetals
[4]
等依赖性较大,同时也由于在成形过程中很难准确地控制工艺参数,使其性能的分散性较大。
(5)多功能性和发展性。复合材料组成的多样性和随意性为复合材料具有除力学性能以外的许多功能(如声、光、电、磁、热等)创造了条件,使复合
与传统材料相比,复合材料具有如下特点:(1)可设计性和各向异性。复合材料的力学、
图3 复合材料的复合效应
Fig.3 Combinedeffectofcompositematerials
材料拥有吸波、透波、耐热、防热、隔热、导电、记忆、阻尼、摩擦、阻燃、透析等功能;同时与其它先进技术相结合,如与纳米技术结合发展的纳米复合材料,与生物、医学科学相结合发展的生物复合材料,与微机电、控制、传感技术等相结合发展的智能复合材料等,赋予了先进复合材料新的内涵。
随着先进复合材料研究、研制及应用的不断扩大,其优越性能越来越得到充分发挥和扩大。1.3 先进复合材料已发展成为航空航天结构的基本材料
航空航天追求性能第一的特点,使其成为先进复合材料技术的率先实验和转化的战场,航空航天工业的发展和需求推动了先进复合材料的发展,而先进复合材料的发展和应用又促进了航空航天的进步。先进复合材料继铝、钢、钛之后,迅速发展成四大结构材料之一,其用量成为航空航天结构的先进性标志之一。
将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重20%～30%,这是其他先进技术很难达到的效果。美国NASA的Langley研究中心在航空航天用先进复合材料发展报告中指出,各种先进技术的应用可以使亚音速运输机获得51%的减重(相对于起飞重量)效益,其中,气动设计与优化技术减重4.6%,复合材料机翼机身和气动剪裁技术减重24.3%,发动机系统和热结构设计减重13.1%,先进导航与飞行控制系统减重9%[5]
,说明了先进复
合材料的应用减重最明显。
提高复合材料用量对促进武器装备的轻量化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用。结构轻量化所带来的效益十分显著,如战略导弹固体火箭发动机第三级结构重量减少1kg,可增程16km,弹头重量减少1kg,可增程20km。对于弹头、整
流罩、固体火箭发动机和卫星承力结构、天线、太阳电池帆板以及坦克装甲、避弹产品等苛刻的工作环境及材料性能的要求,使复合材料成为优选材料。导弹发射筒采用复合材料可以减轻重量20%以上,这不仅带来相当大的经济效益,而且可以增加武器装备的机动性,还可以提高其抗疲劳、耐腐蚀性能。
航空领域的材料体系更强调性能与可靠性的综
合,先进复合材料的应用不仅具有减重的效益,而且还使飞机结构的其他性能得到提升。例如复合材料的气动剪裁技术可显著提高结构效率
[6]
;整体成
形技术可有效减少连接,提高结构可靠性,降低成本;复合材料耐腐蚀抗疲劳特点可降低维护成本。
国外自1980年的F-18军机开始,最新研究的歼击机全部采用复合材料机翼,而且在机身上也大量采用先进复合材料,占结构重量的25%～50%。如第四代机中的F22复合材料占结构重量的25%,法国Rafale占40%,瑞典JAS39占30%,欧洲EF2000则大于40%,美国的杀手锏武器B
2战略轰炸机占50%。民机上的复合材料用量也有大幅度提高。波音B777共用复合材料9.9吨,占结构总重的11%;“梦想飞机”B787用复合材料将达50%;A380大型客机可容纳乘客500～650人,仅碳纤维复合材料用量就达32吨左右,加上其他各种复合材料,总用量在25%左右,开创了大型民机大量使用复合材料的先河,见图4。其他如支线客机和公务机上复合材料用量可达10%～20%,轻型飞机和通用航空飞机上可达70%～90%,直升机可达50%～80%,无人机达50%～80%。A380(A350)、B787、A400M(40%)三大机种上复合材料
图4 复合材料在民机上的应用[4]
Fig.4 Applicationofcompositematerialsoncivilairplanes[4]
向、杂质和改善工艺条件,利用PAN或沥青纤维均可获得高强/高模纤维。事实上到目前为止,要稳定生产模量>700GPa和强度>5.5GPa的高模高强碳纤维,仍然是非常困难的。碳纤维的压缩强度较低,离子注入技术可改善碳纤维的压缩强度,但这种工艺成本很高。
2.2 低成本技术是先进复合材料拓展应用的根本手段与途径
21世纪,先进复合材料的需求将以更快的速度增长,而其高成本已经成为制约复合材料广泛应用的重要瓶颈,低成本复合材料技术已成为目前世界上复合材料研究领域的一个核心问题。提高先进复合材料的性能价格比,除了在原材料、装配与维护等方面进行研究改进外,更重要的是降低复合材料制造成本[9]。据统计先进复合材料的制造工艺成本占总成本的75%以上,复合材料产品的性能与成本之间存在明显的非线性关系。有时90%的性能只需60%的工艺成本,而其余10%的性能却需要40%的成本[10,11]。在过去的30多年中,复合材料的研究与开发重点放在材料性能和工艺改进上,目前的重点是先进复合材料的低成本技术,各种低成本技术的开发和应用将是复合材料发展的主流,其中的重点是低成本制备技术和制备技术的优化。美国制定并实施了许多低成本复合材料研究开发计划。
自动铺带技术和自动纤维丝束铺放技术具有高效、低成本的特点,特别适合于大尺寸和复杂构件的制造,减少了拼装零件的数目,节约了制造和装配成本,充分利用材料,并极大地降低了材料的废
的大规模应用形成了复合材料在航空领域再度“起飞”的态势[7]。
2 先进复合材料的研发热点
2.1 原材料技术是先进复合材料研发的基础与前提
基体和增强体等原材料是发展先进复合材料的基础和前提,而增强纤维技术尤为重要。碳纤维是20世纪60年代迅速发展起来的高新材料,主要包括以美国为代表的大丝束碳纤维和以日本为代表的小丝束碳纤维两大类。日本东丽公司开发了T300～T1000的高强纤维和M30S～M60J的高模纤维,其中T-300是最先商业化的普通碳纤维,T300/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用
[8]
。目前应用较多的高强度中模量碳纤维IM7
和T800H强度达到5.5GPa,T-1000的抗拉强度达到7.02GPa,是目前世界上强度最高的碳纤维。日本碳纤维生产代表了目前碳纤维不断向高性能方向发展的一个趋势。碳纤维发展的另一大趋势是开发大丝束纤维,大丝束纤维的生产对前驱体要求低,产品成本低(每千克碳纤维将降到10美元左右),非常适用于一般民用工业领域。
目前关于碳纤维的研究主要是提高模量和强度,降低生产成本。使用的纤维先驱体仍然主要是PAN和沥青纤维,二者的用量比例约为6∶1。一般来说,PAN基碳纤维具有高强度,而沥青基碳纤维具有高模量。但通过控制微观结构缺陷、结晶取
表1 美国低成本复合材料结构研究开发计划
Table1 ProgramsforlowcostcompositematerialsandstructuresofUS
项目名称
资助者
参加单位
时间
研究目标
批量产的F22飞机低成本制
DMLCC(低成本复合材料设计和制造)
空军
Boeing,MDC,GE,Bell
In1997
造技术研究,比原来复合材料结构成本降低50%
绕、编织等)
海军NASA
以F/A-18E/F为对象的主
AFS(先进机身结构)
3年
翼/机身,减重20%,降低成本30%
开发低成本材料、分析技术、
ACT(先进复合材料技术)
NASA
Boeing
10年
发展新设计、新制造方法,比金属结构减重25%
合等
ATCAS(先进复合材料飞机结构)
NASA
Boeing,MDC
以宽体民机机身为研究对象,开发轻质低成本复合材料结构
浸料,混编丝束预浸料,网状纤维预成型体,3D编织,缝织物预成型体,RTM,粉末预Dupont的LDF预浸料
主要低成本技术
RTM骨架,丝束铺放蒙皮,热铺覆成型的长桁,热塑性复合材料的特殊工艺(拉挤、缠
品率和制造工时。自动铺带机(ATL,automatedtape-laying)是美国波音、Cincinnatimachine与构设计、制造的灵活性,被称之为先进格栅增强结构(AGS)
[13-16]
。
Cytec共同努力,于20世纪70年代中期开始研制,现已发展了三代,效率较手工提高10倍,节省原材料,提高制件精度、质量,降低了成本。
降低复合材料制造成本的主要措施还有发展和改进低成本的制造技术,如改进的纤维缠绕和多维编织技术、树脂传递模塑(RTM)和树脂膜熔浸(RFI)工艺及其衍生工艺、新型非热压罐固化工艺以及工艺模拟和智能化技术。树脂传递模塑(RTM)和树脂膜熔浸(RFI)工艺具备如下优势:不需要制备复合材料预浸料,材料成本降低;不用热压罐固化,设备投资减少;可连续自动化生产,节省工时,提高效率;工装模具和装配工作量减少等。新型非热压罐固化工艺主要指微波、电子束、超声波、X射线固化方法等。目前研究最多、最有发展前景的是电子束固化工艺,该工艺的优点是固化温度低、耗能低、模具材质要求不高;固化过程时间短、效率高、环境污染小,并可与RTM、拉挤、缠绕等自动化工艺相结合[12]。
2.3 新型复合材料是先进复合材料可持续发展的趋势与动力
新型航空航天器的发展不断追求高效能、低成本、长寿命、高可靠,对其材料与结构的综合要求越来越高。为适应此应用需求,一些新型复合材料应运而生,在现有材料性能基础上继续挖掘先进复合材料潜力,如超轻材料与结构技术力求轻上加轻,纳米复合使其强上加强,多功能化追求功上加功。2.3.1 超轻材料与结构
(1)先进格栅增强结构(AGS)。传统格栅增强结构的概念是20世纪70年代由美国麦道公司首先提出,其基本构想是:整个结构由铝合金加强肋与蒙皮组成,加强肋呈正多边形网格分布,整个结构表现出各向同性。这种结构形式刚刚出现,就以较高的可设计性、优越的潜在性能备受关注。格栅结构先后在Wellingtom轰炸机的机身、太阳神和Delt运载火箭的整流罩上成功应用。20世纪90年代,Stanford大学提出了以纤维增强复合材料(CFRP)为加强肋的各向异性格栅增强结构。这种新型的结构表现出更多潜在的优越性能,与已有的铝合金格栅结构相比,提高了结构的比强度和比模量,同时增强了结构的抗腐蚀能力,而且可以利用自动化制造方法降低成本,最为突出的是增加了结
美国空军实验室1997年在国家导弹防御系统试验项目(BMDOCEP)支持下,成功设计、制造了以CFRP为加强肋的AGS整流罩,重量仅37kg,同类型铝合金防护罩重97kg,运用纤维缠绕技术实现了自动化生产,工艺周期缩短88%,比同类型蜂窝夹层结构制造复合材料整流罩减重40%,成本降低20%(见图5)
[17
]
。
图5 CEP火箭有效载荷整流罩
Fig.5 PayloadfairingofCEPlaunchrocket
先进格栅增强结构由于其突出的综合性能优势而受到普遍重视,NASALangley研究中心研究人员把先进格栅增强结构技术列入未来航天结构技术发展的六大方向之一的低成本结构技术之内;美国空间实验室把AGS技术列为迎接未来空间系统技术挑战的四大结构技术之一,并且指出了这项技术未来在航天器燃料储箱、机身等大型复杂部件应用的广阔前景[18]。俄罗斯CRISMB提出的应用对象包括级间段、内压容器、有效载荷适配器、运载飞船整流罩、飞机中机身舱段、翼盒、直升机垂尾梁、空间望远镜镜身以及建筑结构等
[19]
。
(2)点阵复合材料。2000年左右,在西方材料学界,哈佛大学的Evans教授、剑桥大学的Ashby教授、MIT的Gibson教授等人率先提出了一种空间点阵材料(结构)。这类结构类似于现有的空间网架,只是尺寸上要小得多,如图6。这类材料可能具有的优越性能———高比强度、高比刚度、多功能性等越来越受到材料学界的重视[20-22]。
近年来,轻金属泡沫材料和蜂窝夹层板在航空、航天结构中得到了广泛应用,尤其是航空结构
图6 典型空间点阵复合材料
Fig.6 Typicallatticecompositematerials
中使用了大量的蜂窝夹层板结构。单就芯材结构性能而言,蜂窝结构无疑是最合理的结构形式之一,但就夹芯结构而言,蜂窝夹芯结构也有弱点,即面板与芯材之间的粘接性能相对较弱,影响或者削弱了蜂窝夹芯结构的性能,从而导致夹芯结构的抗剪切、抗剥离、抗平压、抗疲劳等性能较低。为了使蜂窝夹芯板具有更高的性能,人们通常通过提高面板的材质厚度或选用高性能的粘接剂来满足设计者的要求,但是效果不是很明显,不能从根本上解决面板和芯材之间连接薄弱的问题。而格栅结构和点阵夹层结构是当前国际上认为最有前景的新一代先进轻质超强韧材料构
[24]
[23]
控元件预埋于蜂窝夹层板方案相比,该方案无需在结构中开槽挖洞,保持了结构材料的完整性,对结构的承载性能毫无影响,同时该方案大大降低了埋设工艺难度,提高了结构组装效率。另一方面,点阵材料自身也是优良的紧凑热交换器,可以部分或全部取代热控元件,实现散热功能。这些将为卫星结构的减重、热控设计提供一条新的途径[25]。2.3.2 纳米复合材料
纳米材料科学是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学,而且涉及到原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等诸多学科,由于纳米材料体系具有许多独特的性质,在实际应用和理论上都具有极大的研究价值,应用前景广阔,成为近些年来材料科学领域研究的热点之一,被誉为21世纪最有前途的材料。
纳米材料为常规复合材料的研究增添了新的内容,含有纳米单元相的纳米复合材料是纳米材料工程的重要组成部分,正成为当前纳米材料发展的新动向。纳米复合材料是由两种或两种以上的固相至少在一维以纳米级大小(1～100nm)复合而成的复合材料。纳米复合材料包括纳米颗粒增强复合材料、纳米片层增强复合材料、纳米纤维增强复合材料和碳纳米管增强复合材料等(图7)
[26]
,已经开始应用于航天结
。尤其点阵复合材料为结构进一步轻量化与
材料/结构/功能一体化设计及实现提供了更广阔的发展空间和可能性。
点阵材料的等效刚度和强度与材料的等效密度近似成线性关系,具有比当前常用的多孔材料高得多的刚度和强度。在相同的重量条件下,通常的点阵材料的面内杨氏模量可以比蜂窝等轻质材料高出两个数量级以上,其面外强度可高出一个数量级以上。同时,其独特的细观周期性三维网架结构体系为应用有限元结构体系对其进行最佳构型设计提供了可循之路。研究表明,经过优化设计后的点阵材料的承载能力更为突出。点阵夹芯结构应用于卫星结构,将使卫星的结构重量在整个卫星重量中的比重进一步减小,从而增大卫星的有效载荷。
当前的卫星设计多将结构承载系统和热控系统分离设计,这样,埋设热管的基板使卫星结构显得冗余,增加了结构重量,同时也无法充分利用结构材料的优势。点阵夹芯结构应用于卫星结构,可望实现卫星热控系统的全部或部分功能。点阵夹芯结构的空隙比一般大于90%,这种大的空穴为热控元件提供了安置空间,点阵材料的开口设计方案为也为热控元件的埋设提供了方便。与当前多采用的热
。
纳米复合材料已经成为先进复合材料技术的一个新增长点,也是先进复合材料技术研究最活跃的前沿领域之一。纳米复合材料的超常特性(如图8)使其在航空航天等领域具有广泛的应用前景。
纳米复合材料研制中存在的关键问题:(1)分散(Dispersion)。均匀分散纳米粒子和纳米管需要克服它们由于vanderWaals键形成的团聚,这是纳米复合材料制备加工的第一步,纳米片层结构的剥离也至关重要,如果分散得不好,影响材料的性能,导致材料力学性能下降。(2)
排列(Align-ment)。因为尺寸小,很难把纳米管像传统短纤维
图7 纳米复合材料
Fig.7 Nano-compositemateria
ls
复合材料的发展速度极快,材料种类也不断增多,材料的功能性也不断增强。其未来的发展方向是不断满足现有型号和各种新型号的需要,努力提高功能性,即将尽可能多的功能集于某一种单一材料上。
(1)碳/碳复合材料。随着新一代航空航天器向高超声速方向的发展,苛刻的超高温服役环境对材料及结构的承载与防热提出了严峻考验,碳/碳复合材料是适应这种需求的重要候选材料[27,28]。碳/碳复合材料从碳纤维增强相结构可分为碳毡C/C
图8 纳米复合材料的优异性能[3]
Fig.8 Excellentpropertiesofnano-compositematerials[3]
和多向编织C/C复合材料。作为一种新型战略材料,在美、俄、法、英、日等国家,其研制发展主要由空军、海军或政府预算中给予支持,因此,碳/碳复合材料的国防专用性和强烈的军事背景使其研制和使用具有高度的机密性。碳基防热复合材料主要用于烧蚀防热和热结构,较好地解决了轻质化、抗热震、耐侵蚀等技术难题。除了传统的碳/碳复合材料以外,近年来,美、俄、法等国家又开发了许多混杂其它材料的新型碳/碳材料,以满足不同的特殊使用要求,例如:在碳/碳材料中混入Si3N4、SiC、TiC、TaO、TaC等粉末,以提高碳/碳材料抗粒子侵蚀性能。更新的弹头鼻锥防热材料是针刺细编织物在穿刺或编织过程中加入改进性能的组分,如耐熔金属丝、耐侵蚀粒子等,这样可大大改进抗粒子侵蚀性能,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。从目前的实际情况及应用前景可以看出,碳/碳复合材料的研究和发展趋势大致为:从最初阶段的两向碳/碳复合材料向三向、四向等三维多
一样排列在聚合物基体中,缺乏对纳米管的定向排列的控制导致纳米管在复合材料中的增强效果下降。(3)成本(Costeffectiveness)。纳米复合材料的成本由纳米增强材料的成本决定,特别是纳米纤维和碳纳米管的成本较高,但无机纳米粒子和纳米黏土的成本较低,并且用量很低,可以预见随着纳米纤维和纳米管的大量应用,成本会进一步降低。2.3.3 多功能复合材料与结构
从20世纪50、60年代的复合型多功能复合材料到现在的多功能一体化复合材料,多功能复合材料的发展历史已近40年,在这几十年中,不仅多功能复合材料的概念、结构和种类都发生了巨大变化,而且其应用领域也由战略导弹扩展到卫星、航天飞机等各种宇航系统中,多功能复合材料的发展为航天工业和武器系统的发展打下了坚实的基础。新兴的多功能一体化型复合材料从一问世即引起了广泛的重视,20世纪90年代后,美国军方特别注重多功能复合材料的研究与发展,明确地指出该种材料在未来战争中将起到举足轻重的作用。多功能
向碳/碳复合材料发展;从单纯抗烧蚀碳/碳复合材料向抗烧蚀-抗侵蚀和抗烧蚀-抗侵蚀-稳定外形碳/碳复合材料发展;从防热材料向热结构材料发展;从单功能材料向多功能材料发展。
(2)透波复合材料。透波材料主要分为有机树脂基透波复合材料和陶瓷基透波复合材料两大类。有机树脂基透波复合材料具有高强、轻质和优良电性能等特点,成为低马赫数飞行器天线罩的首选材料。复合材料增强纤维由最初的普通玻璃纤维发展到S玻璃纤维、D玻璃纤维、E玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维、石英玻璃纤维和各种芳纶纤维等;基体树脂为聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、聚苯丙咪唑、聚酰亚胺树脂、硅树脂、聚四氟乙烯、氰酸酯树脂以及各种树脂的改性产物[29,30]。
目前,先进有机树脂基透波材料在国外战机上广泛应用,如F-22战斗机、JSF战斗机和EF2000战斗机等。许多先进制导导弹也采用了高性能天线罩材料,如俄罗斯的X-31п和美国的AGM-88A反辐射导弹采用了宽频带被动雷达天线罩。为提高有机树脂基透波复合材料的使用温度,国外近期在有机/无机杂化树脂方面开展了大量研究工作。美国报道了一种以硅为主链的树脂(DI系列树脂),石英纤维增强的DI树脂复合材料在538℃下保持很高的拉伸强度,介电性能在850℃以下保持稳定,已被用于制造耐温500℃以上的夹层结构宽频带天线罩。
(3)智能复合材料与结构。智能复合材料与结构不仅能够承受载荷,还能感知所处的内外部环境变化,并能通过改变其物理性能或形状等作出响应,借此实现自诊断、自适应、自修复等功能,具有广阔的应用前景
[31,32]
。美国国防部1997年颁布
的“基础研究计划”,把智能材料与结构列为6项战略研究任务之一。美国军方也制定了多项相关的研究计划,如弹道导弹防御局的“自适应结构计划”,陆军研究局的“智能材料与结构计划”,空、海军共同实施的“智能金属结构计划”,空军航天实验室的智能结构/蒙皮计划”等。在欧洲,英、法、意、德等国正在研究光纤自诊断智能结构和主动控制技术。日本在智能结构的航天应用方面做了大量研究工作,包括空间结构主动振动控制、自适应静态形状精确控制和自适应可变形桁架等。
在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮,可用于预警、
隐身和通信,如美国弹道导弹防御局正在为导弹预警卫星和天基防御系统空间平台研制含有多种传感器的智能蒙皮。用智能结构制成的自适应机翼,能实时感知外界环境的变化,并能驱动机翼弯曲、扭转,从而改变翼型和攻角,以获得最佳气动特性,降低机翼阻力系数,延长机翼的疲劳寿命。美国的一项研究表明,在机翼结构中使用磁致伸缩致动器,可使机翼阻力降低85%。美国波音公司和麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌入智能纤维,电致时可使桨叶扭转变形达几度。
2.4 设计/评价一体化技术是先进复合材料应用的重要支撑与保障
复合材料作为多相体(夹杂、基体、界面相等)材料,其自身具有显著和丰富的细观结构特征,因此其宏观性能和损伤、失效规律不仅取决于每一组分材料的特性,同时还依赖于复合材料的细观结构特征,其中包括夹杂(如纤维、晶须、颗粒、裂纹、空洞等)的体积分数、形状、尺寸、分布规律及界面形式等
[33]
。复合材料还具有材料-结构-工艺一体化
的特征,尤其对多向编织复合材料和纤维缠绕先进复合材料来说,构件的材料和结构的设计与制造都包含组分材料-复合材料-结构三个层次上的同时性,没有复合材料的成品或中间产品。因此,对复合材料的研究必须采用“设计/评价”一体化的研究思想。
复合材料细观力学研究的主要目的在于建立复合材料的宏观力学性能与其组分材料性能及细观结构之间的定量关系,这不仅可以揭示复合材料不同的材料复合具有不同的宏观性能的内在机制,进而还可为材料及结构分析提供理论依据和方法,同时也可以对复合材料进行细观层次上的设计,即根据工程的不同需求选取适当的组分材料及优化的细观结构形式。但由于复合材料损伤和破坏过程的多层次性和相互关联性,目前还不能有效地描述其复杂的损伤演化过程和断裂行为。因此,应结合现代先进的试验测试技术,从更细微观层次上探索和发现其损伤演化和破坏的新规律,同时,针对先进复合材料的结构材料同一性的特点,借助计算机辅助设计,从材料的细观设计出发,实现复合材料的材料与结构一体化优化设计,最大效能地发挥复合材料的潜力,这不仅对复合材料科学具有促进作用,而且对复合材料的工程应用具有重要的指导意义。
国防、航空航天以及其他领域的先进复合材料
“
的服役环境大都比较特殊,对服役环境下复合材料的考核是其能够应用的基本前提。直接在服役条件下进行材料实验,有时会无法获得演变过程的信息和控制因素,风险大、试验费用昂贵且难以实现。通过服役环境与材料作用过程的建模,建立实验模拟平台和数值模拟平台、发展先进的原位实时测试技术,为研究材料的环境行为打下基础,为材料优化设计提供验证手段;掌握材料行为对环境的响应规律是主动控制材料演变进而设计新材料的基础,确定并获取演变过程的材料信息和提炼使用性能的表征参数是控制材料演变和破坏的先决条件,获得材料失效过程的控制因素和控制方程,建立服役条件下材料性能的科学表征方法及材料环境行为数据库,实现失效过程的计算机拟实与控制;研究先进复合材料优化设计理论和方法,建立材料设计的数据库、知识库和程序库,进行多层次跨尺度的材料设计及性能预测,实现科学设计,实现从被动到主动、从定性到定量的飞跃。
3 我国先进复合材料可持续研发与应用中急需解决的问题
我国先进复合材料是在国防、航空航天领域的需求牵引下逐步发展起来的,经历了对前苏联、美国、日本、西欧以及俄罗斯等国的仿制和跟踪到形成自己的复合材料体系的不同阶段,同时由于受到体制分割和各自领域独立发展的制约和影响,在某种程度上已经形成了材料品种及牌号多、材料成熟度参差不齐、低水平或同水平重复以及较低的性能价格比的局面,从深层次上表现为在原材料的供应上存在着“瓶颈”效应,国产先进复合材料的性能、质量、规格、价格以及供货能力等方面还远远不能满足国防、航空航天以及民用领域的需求[34,35]。尤其在中国加入WTO之后,在自主知识产权、创新和提高竞争力等方面受到严峻的挑战。3.1 国产碳纤维
碳纤维是最重要的增强材料,我国碳纤维研发与生产中存在的几个问题:原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、应用基础研究薄弱等。国外预测我国将成为最大的复合材料制造商和用户,预计2010年中国的需求量将占世界的1/4[36]。
面对国外的技术封锁,我国的迫切需求,以及碳纤维的基础性、先导性以及战略性特点,解决碳纤维技术问题迫在眉睫。如,解决
PAN原丝及
图9 碳纤维年耗量(2004年10月德国汉堡国际碳纤维会议)Fig.9 Carbonfiberconsumption(Intertechscarbonfiber
conference,Oct.2004,Hamburg,Germany)
PAN碳纤维的关键技术问题,T300级PAN碳纤维实现大批量生产,满足国内对碳纤维材料的需求;T700级PAN碳纤维可进行小批量生产;争取在模量大于700GPa和强度大于5.5GPa的高模高强碳纤维关键技术方面获得突破,并同时开展大丝束、低成本碳纤维技术研究。3.2 低成本复合材料技术
我国在低成本复合材料技术方面也面临着很大的挑战,尤其是在低成本制造技术方面。以某机翼研制为例,碳纤维树脂基复合材料每千克成本为9600元,其中碳纤维约为1000元,树脂约为300元,纤维和基体的成本在总成本中占有份额小于15%,设计成本小于5%,而制造成本却高达80%。
首先,要继续发展低成本工艺技术,如树脂传递模塑(RTM)及其衍生工艺、电子束固化和低温固化工艺等。同时,发展制造过程优化以及工艺控制技术,提高复合材料的性能稳定性,也是降低成本的重要手段。大幅降低成本,提高制造效率的重要技术是自动化制造,如自动纤维铺放技术等,而我国先进的工艺装备还十分缺乏。
3.3 先进复合材料及结构的设计理论与方法
通过对复合材料几十年的研究和成功应用,人们对其有了更深刻的认识。自2000年以来,欧美等发达国家的先进复合材料在航空上用量有很大的飞跃,这其中的原因是多方面的,而科学合理的设计理论与方法也是其中的重要因素。
我国首先要解决的是设计理念上的问题。主承力结构件上大量用复合材料,需要设计师接受和信
当复杂,复合材料初始缺陷影响和损伤在跨层次结构中的发展、蔓延、传播并最终导致材料破坏与结构失效的机制复杂。因此,如何建立复合材料有效性能试验表征与评价体系,发展高精度的预报理论与方法,有效预测复合材料结构长时服役环境下的性能蜕变规律,给出科学合理的复合材料结构失效判据,定量化评价复合材料结构的可靠性和安全性,是复合材料工作者面临的重要课题。欧空局和NASA在此方面开展了长期的系统性的研究工作,各自建立了设计/分析/评价的软件平台,而且还在不断更新扩展[38]。如何获取结构服役的状态信息也是相当困难和有意义的工作,为此B787研制中实施了传感器计划,及时监测结构健康状态[7]。3.5 重视发展规划与加大国家支持力度
国外航空航天结构中先进复合材料用量不断增加,急剧上升。随着新一代飞行器的发展,特别是新一代卫星、大运载火箭、近空间飞行器和大飞机的发展,先进复合材料与应用将越来越重要。国家应从需求及复合材料科学与技术本身规划复合材料可持续发展问题,可以从复合材料与金属、高分子、无机材料同等重要,并且是航空航天四大材料(复合材料、铝、钛、钢)的角度,制定相关计划并动员社会力量推进复合材料可持续发展。重点解决先进复合材料研制中的共性和关键问题,发展我国的优势和精品系列材料,通过国家与企业协同支持,自主创新,使我国成为复合材料的强国。在满
赖复合材料。
其次是设计理论问题。复合材料的性能分散性和环境依赖性使其设计问题相当复杂,设计准则和结构设计值的确定还很保守。现有的方法需要大量试验,造成设计周期长成本高,美国的“Acceler-atedinsertionofmaterials”(图10)就是从以过去的试验为主向以分析为主的设计方法转变
[37]
。这就
需要高效的设计理论和方法,实现跨层次的高可信度设计和分析。另外,由于载荷和环境的非确定性以及复合材料性能的分散性等,国外也正开展用非
确定性方法设计和分析复合材料结构的研究。
再有就是数据积累的问题。复合材料的制备成本高、周期长,性能测试难度大、费用昂贵。设计、制备、评价和使用过程中获得的每一个材料性能数据都弥足珍贵。因此,建立长期的开放式的数据库系统十分必要。
最后,就是规范和标准问题。将复合材料的设计和鉴定文件化、规范化,使试验和分析更好地结合起来,形成设计和鉴定的统一指南,编制全行业的技术标准,显著改进最终产品的一致性,减小风险、降低成本。典型的有MIL-HDBK-17的重新修订,由FAA、NASA、军方和工业界共同组织200多位专家重新修订出版其新3卷本于1999年完成。
3.4 先进复合材料结构的安全与可靠性评价
复合材料结构形式、服役载荷及使用环境都相
图10 美国DARPA的复合材料插入计划
Fig.10 DARPAacceleratedinsertionofmaterials-composites
足国防、航空航天领域需求的前提下促进向民用领域拓展。
工艺,2000(6):5356.
ZhaoJiaxiang.DevelopmentofTORAYCAcarbonfibersandcomposites[J].AerospaceMaterials&Techonology,2000(6):53.
4 结束语
[9] NationalAerospaceLaboratoryNLR.Aerospacestructures
新型航空航天器的先进性标志之一是结构的先进性,而先进复合材料是实现结构先进性的重要物质基础和先导技术。我国将成为世界上先进复合材料的最大用户,却面临着国外的技术封锁及我国技术贮备的严重不足。因此,实现我国先进复合材料研发和应用的可持续发展,必须坚持自主创新,解决原材料问题,设计应用中的理论问题,低成本技术问题,政策支持问题。
致 谢:在本文写作过程中得到孟松鹤、梁军、张博明、戴福洪、陈绍杰、张佐光、燕瑛、李敏等教授、博士的协助,在此一并致谢。参考文献:
[1] StefanieF.Compositesforaerospaceapplication[EB/OL].
http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/stef/img3.htm.
[2] 师昌绪.材料大词典[M].北京:化学工业出版社,1994:2.[3] RobertIM.AdvancedcompositestructuresresearchinAus-tralia[J].CompositeStructures,2002,57:3.
[4] EDASDeutschlandGmbH,CorporateResearchCenter.The
researchrequirementsofthetransportsectorstofacilitateanincreasedusageofcompositematerialsI:Thecompositemate-rialresearchrequirementsoftheaerospaceindustry[EB/OL].[2006
12
27].http://gcep.stanford.edu/pdfs/as-
sessments/adv_transportation_assessment.pdf.
[5] DarrelT,ByronRP.Advancedcompositesdevelopmentfor
aerospaceapplications[EB/OL].[2006.http://cite-seer.ist.psu.edu/cache/papers/cs/29702/ftp:zSzzSztechre-ports.larc.nasa.govzSzpubzSztechreportszSzlarczSz2001zSzmtgzSzNASA20017sampe-drt.pdf/advanced-composites-devel-opment-for.pdf.
[6] RehfieldWR,CheungRH.Somebasicstrategiesforaero-elastictailoringofwingswithbend-twistcoupling[C]//44thAIAA/ASME/ASCE/AHSStructures,StructuralDynamicsandMaterialsConference.Norfolk,Virginia:AmericanInstituteofAeronauticsandAstronautics,Inc,2003:7.
[7] 陈绍杰.复合材料与B7E7[J].航空制造技术,2005(1):
34.
ChenShaojie.ReunitethematerialandtheB7E7dreamair-plane[J].Theaviationmanufacturingtechnique,2005(1):34.
[8] 赵稼祥.东丽公司碳纤维及其复合材料的进展[J].宇航材料
andmaterialsstatusreport2003[EB/OL].www.nrel.gov/ncpv/thin_film/docs/world_pv_status_rpt_2003.pdf.
[10]
刘 玲.碳/环氧复合材料性能与工艺成本平衡分析设计方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2004.
[11]RobinsonMJ.Aqualitativeanalysisofsomeoftheissuesaffecting
thecostofcompositesstructures[C]//Proc.23thInternationalSAMPETechnicalConf.CovinaCA:SocietyfortheAdvancementofMaterialandProcessEngineering,1991:445.
[12]
包建文,陈祥宝.电子束固化树脂基复合材料进展[J].高分子通报,2002(2):69.
BaoJianwen,ChenXiangbao.RecentAdvancesinElectron-beamCuredComposites[J].PolymerBulletin,2002(2):69.
[13]StevenH.Analysisandbehaviorofgridstructures[D].Stan-ford:StanfordUniversity,1995.
[14]StevenH,TroyE.Advancedgridstiffenedstructuresforthe
nextgenerationoflaunchvehicles[C]//
WoernerDF,ed.
1997IEEEAerospaceConferenceProceeding.Kahre:IEEEAerospaceandElectronicsSystemsSociety,1997:263.
[15]
章继峰,张博明,杜善义.平板型复合材料格栅结构的增强改进与参数设计[J].复合材料学报,2006,23(3):153.ZhangJifeng,ZhangBoming,DuShanyi.Improvementandparameterdesignofadvancedcompositegridplatestructures[J].ActaMateriaeCompositaeSinica,2006,23(3):153.[16]
einkTE,GregoreckG.Compositegridvscompositesand-wich:Acomparisonbasedonpayloadshroudrequirements[C]//1998IEEEAerospaceConferenceProceedings.Manhat-tanBeach:IEEEAerospaceandElectronicsSystemsSociety,1998:215.
[17]StevenMH,TroyEM,PeterMW,etal.Manufacturing
theoryforadvancedgridstiffenedstructures[J].CompositesPartA,2002,33(2):155.
[18]
NoorAK,SamuelL,VenneriDB,etal.Structuretech-nologyforfutureaerospacesystem[J].ComputersandStructures,2000,74(5):507.
[19]VasilievVV,RazinAF.Anisogridcompositelatticestruc-turesforspacecraftandaircraftapplications[J].CompositeStructures,2006,76:182.
[20]EvansAG,HutchinsonJW,FleckNA,etal.Thetopologi-caldesignofmultifunctionalcellularmetals[J].ProgressinMaterialsScience,2001,46:309.
[21]
方岱宁,郭海成,SohAK,等.轻质点阵材料的力学行为分析[C]//首届全国航空航天领域中的力学问题学术研讨会论文集.北京:中国力学学会,2004:22.
[22]
ibsonLJ,AshbyMF.多孔固体结构与性能[M].刘培生,译.北京:清华大学出版社,2003.
GibsonLJ,AshbyMF.Poroussolidstructure&perform-ance[M].LiuPeisheng,translation.Beijing:TsinghuaUni-versityPress,2003.[23]
AshelbyMF.Driversformaterialdevelopmentinthe21stcentury[J].ProgressinMaterialsScience,2001,46(3/4):191.
[24]JensenDW,WeaverTJ.Mechanicalcharacterizationofa
graphite/epoxyisotruss[J].JournalofAerospaceEngineer-ing,2000,13(1):23.[25]
张卫红,吴 琼,高 彤.周期性金属桁架夹心板的力学性能研究进展[J].昆明理工大学学报,2005,30(6):24.ZhangWeihong,WuQiong,GaoTong.Progressinthestudyonmechanicalpropertiesofperiodicmetallictrusscoresand-wichpanels[J].JournalofKunmingUniversityofScienceandTechnology,2005,30(6):24.[26]
hostensonET,LiC,ChouTW,Nanocompositesincontext[J].CompositeScienceandTechnology,2005,65(3/4):491.
[27]
俞继军,马志强,姜贵庆,等.C/C复合材料烧蚀形貌测量及烧蚀机理分析[J].宇航材料工艺,2003(1):36.
YuJijun,MaZhiqiang,JiangGuiqing,etal.PatternsurfacemeasureandablationanalysisforC/Ccompositematerial[J].AerospaceMaterials&Techonology,2003(1):36.[28]梁 军,杜善义.防热复合材料高温力学性能[J].复合材料
学报,2004,21(1):73.
LiangJun,DuShanyi.Thermalprotectioncompositehighheatmechanicalproperty[J].ActaMateriaeCompositaeSinica,2004,21(1):73.[29]
高树理,柴孟贤,张明习.透波复合材料的研究进展[J].工程塑性材料应用,2000,28(5):31.
GaoShuli,CaiMengxian,ZhangMingxi.Recentprogressintransparentcomposites[J].EngineeringandApplicationofPlasticMaterial,2000,28(5):31.[30]
郭玉明,颜鸿斌,凌 英,等.低密度烧蚀防热透波多功能复合材料的研究[J].玻璃钢/复合材料,2001(9):31.GuoYuming,YanHongbin,Lingying,etal.Studyofmulti-functioncompositeswithlowdensityablationheatprotection
andwavetransmition[J].FiberReinforcedPlastics/Compos-ites,2001(9):31.[31]
谢建宏,张为公.智能材料结构的研究与发展[J].传感技术学报,2004(3):165.
XieJianhong,ZhangWeigong.Researchanddevelopmentofsmartmaterialandstructure[J].ChineseJournalofSensorsandActuators,2004(3):165.[32]
杜善义,冷劲松,王殿富.智能材料系统与结构[M].北京:科学出版社,2001.
DuShanyi,LengJinsong,WangDianfu.SmartMatreialandStructure[M].Beijing:SciencePress,2001.[33]
杜善义,王 彪.复合材料细观力学[M].北京:科学出版社,1998.
DuShanyi,WangBiao.Compositemicromechanics[M].Bei-jing:SciencePress,1998.[34]
陈绍杰.先进复合材料的现状和趋势[J].高科技纤维与应用,2001,26(6):1.
ChenShaojie.Currentsituationandtrendofadvancedcompos-itematerials[J].Hi-TechFiber&Application,2001,26(6):1.[35]
陈祥宝.先进树脂基复合材料研究进展[J].航空工程与维修,2001(3):14.
ChenXiangbao.Developmentoftheadvancedpolymermatrixcomposite[J].AviationMainternance&Egnineering,2001(3):14.[36]
enRasmussen.Whatthecompositeindustryneeds[EB/OL].(2001[200627].http://www.composites-world.com/hpc/issues/2005/January/689/1.
[37]SaffCR,HahnGD,GriffithJM,etal.Acceleratedinser-tionofmaterials-composites[C]//46thAIAA/ASME/ASCE/AHS/ASCStructures,StructuralDynamics&MaterialsCon-ference.Austin,Texas:TheAmericanInstituteofAeronau-ticsandAstronautics,Inc,2005:18.
[38]FrankA,LevonM.DevelopmentofGENOAprogressivefail-ureparallelprocessingsoftwaresystem[EB/OL].[200627].http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/1999/CR-1999-
209404.pdf.
复合材料学报ActaMateriaeCompositaeSinica
文章编号:10002007)01第24卷 Vol.24
第1期 2月 2007年No.1
February
2007
先进复合材料与航空航天
杜善义*
(哈尔滨工业大学,哈尔滨150001)
摘 要: 复合化是新材料的重要发展方向,先进复合材料已经成为航空航天结构的基本材料之一。本文中阐述了先进复合材料在航空航天领域的应用需求和现状,介绍了诸如点阵、纳米、多功能复合材料与结构等研发热点和前沿技术,并讨论了其研发与应用趋势。最后,重点讨论了复合材料的原材料技术、低成本技术、设计/评价一体化技术等亟待解决的问题。
关键词: 先进复合材料;航空航天;低成本;设计/评价一体化中图分类号: TB33 文献标识码:
Advancedcompositematerialsandaerospaceengineering
DUShanyi
*
(HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)
Abstract: Advancedcompositematerials(ACM)havebecomethebasicmaterialsoftheaerospaceengineering.Inthispaper,therequirementsandtheapplicationsofACMintheaerospaceengineeringwerepresented.Somehot-spottechnologicalfields,suchaslatticematerialsandstructures,nano-compositematerialsandmulti-functionalmaterials,wereintroduced.Theirpotentialapplicationsanddevelopmentswereprospected.Finally,theproblemstoberesolvedaboutrawmaterials,lowcost,integrationofdesignandevaluationinACMwerediscussed.Keywords: advancedcompositematerials;aerospace;lowcost;integrationofdesignandevaluation
1 先进复合材料是航空航天的重要物质基础与先导技术
1.1 先进复合材料已成为四大类材料之一
材料是社会发展的物质基础和先导,而新材料则是社会进步的重要里程碑。新材料技术是支撑当今人类文明的现代工业关键技术,新材料技术一直是世界各国科技发展规划之中一个十分重要的领域,它与信息技术、生物技术、能源技术一起,被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高技术。复合化是新材料的重要发展方向,也是新材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一。复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一
[1]
一般材料的简单混合有本质的区别
[2]
。所谓先进复
简称
合材料(Advancedcompositematerials,
ACM)是指用碳纤维等高性能增强相增强的复合材料,对于先进树脂基复合材料,在综合性能上与铝合金相当,但比刚度比强度高于铝合金
[3]
。本文中
主要针对先进复合材料(主要指先进树脂基复合材料)及其在航空航天中的应用进行评述与讨论。
随着复合材料的广泛应用和人们在原材料、复合工艺、界面理论、复合效应等方面实践和理论研究的深入,使人们对复合材料有了更全面的认识。现在人们可以更能动地选择不同的增强材料(颗粒、片状物、纤维及其织物等)与基体进行合理的性能(功能和力学)设计(如宏观的铺层设计、微结构设计等),采用多种特殊的工艺使其复合或交叉结合,从而制造出高于原先单一材料的性能或开发出单一材料所不具备的性质和使用性能,如优异的力学性能、物理-化学多功能(电、热、磁、光、耐烧蚀等)或生物效应的各类高级复合材料。因此“复合”涵盖的
,见图1。
复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料,它既能保留原有组分材料的主要特色,又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同,从而获得原组分材料无法比拟的优越性能,与
收稿日期:2006;收修改稿日期:2006通讯作者:杜善义,院士,研究方向为复合材料、固体力学及飞行器结构 E-mail:[email protected]
图1 材料的相对重要性[1]
Fig.1 Relativeimportanceofmaterials[1]
范围也越来越广:从宏观尺度的复合到微观尺度的复合;从结构材料到结构功能一体化材料和功能复合材料;从简单复合到非线性复合效应的复合;从复合材料到复合结构;从材料的机械设计到仿生设计。1.2 先进复合材料的优越性
先进复合材料的高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计等优势已被世人所共识,图2显示了复合
材料高比强高比模的突出优势。
机械及热、声、光、电、防腐、抗老化等性能都可按照构件的使用或服役环境条件要求,通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段,最大限度地达到预期的目的,以满足工程结构设计的使用性能,同时由于复合材料具有各向异性和非均匀性,可以通过合理的设计消除材料冗余,最大程度发挥材料及结构的潜力和效率。
(2)材料与结构一体化。复合材料构件与材料是同时形成的,一般不再由“复合材料”加工成复合材料构件,使之结构的整体性好,大幅度减少零部件和连接件数量,从而缩短加工周期,降低成本,提高可靠性。
(3)复合效应。复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的,但它不是几种材料的简单混合,而是按照复合效应形成的新的性能,这种复合效应是复合材料仅有的,图3显示了通过复合效应,复合材料可以克服单一材料的某种性能缺陷。
(4)材料性能对复合工艺的依赖性。复合材料结构在形成过程中有组分材料的物理和化学变化,因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程
图2 先进复合材料与金属的比强度与比刚度[4]Fig.2 Specificstrengthandstiffnessofadvanced
compositematerialsandmetals
[4]
等依赖性较大,同时也由于在成形过程中很难准确地控制工艺参数,使其性能的分散性较大。
(5)多功能性和发展性。复合材料组成的多样性和随意性为复合材料具有除力学性能以外的许多功能(如声、光、电、磁、热等)创造了条件,使复合
与传统材料相比,复合材料具有如下特点:(1)可设计性和各向异性。复合材料的力学、
图3 复合材料的复合效应
Fig.3 Combinedeffectofcompositematerials
材料拥有吸波、透波、耐热、防热、隔热、导电、记忆、阻尼、摩擦、阻燃、透析等功能;同时与其它先进技术相结合,如与纳米技术结合发展的纳米复合材料,与生物、医学科学相结合发展的生物复合材料,与微机电、控制、传感技术等相结合发展的智能复合材料等,赋予了先进复合材料新的内涵。
随着先进复合材料研究、研制及应用的不断扩大,其优越性能越来越得到充分发挥和扩大。1.3 先进复合材料已发展成为航空航天结构的基本材料
航空航天追求性能第一的特点,使其成为先进复合材料技术的率先实验和转化的战场,航空航天工业的发展和需求推动了先进复合材料的发展,而先进复合材料的发展和应用又促进了航空航天的进步。先进复合材料继铝、钢、钛之后,迅速发展成四大结构材料之一,其用量成为航空航天结构的先进性标志之一。
将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重20%～30%,这是其他先进技术很难达到的效果。美国NASA的Langley研究中心在航空航天用先进复合材料发展报告中指出,各种先进技术的应用可以使亚音速运输机获得51%的减重(相对于起飞重量)效益,其中,气动设计与优化技术减重4.6%,复合材料机翼机身和气动剪裁技术减重24.3%,发动机系统和热结构设计减重13.1%,先进导航与飞行控制系统减重9%[5]
,说明了先进复
合材料的应用减重最明显。
提高复合材料用量对促进武器装备的轻量化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用。结构轻量化所带来的效益十分显著,如战略导弹固体火箭发动机第三级结构重量减少1kg,可增程16km,弹头重量减少1kg,可增程20km。对于弹头、整
流罩、固体火箭发动机和卫星承力结构、天线、太阳电池帆板以及坦克装甲、避弹产品等苛刻的工作环境及材料性能的要求,使复合材料成为优选材料。导弹发射筒采用复合材料可以减轻重量20%以上,这不仅带来相当大的经济效益,而且可以增加武器装备的机动性,还可以提高其抗疲劳、耐腐蚀性能。
航空领域的材料体系更强调性能与可靠性的综
合,先进复合材料的应用不仅具有减重的效益,而且还使飞机结构的其他性能得到提升。例如复合材料的气动剪裁技术可显著提高结构效率
[6]
;整体成
形技术可有效减少连接,提高结构可靠性,降低成本;复合材料耐腐蚀抗疲劳特点可降低维护成本。
国外自1980年的F-18军机开始,最新研究的歼击机全部采用复合材料机翼,而且在机身上也大量采用先进复合材料,占结构重量的25%～50%。如第四代机中的F22复合材料占结构重量的25%,法国Rafale占40%,瑞典JAS39占30%,欧洲EF2000则大于40%,美国的杀手锏武器B
2战略轰炸机占50%。民机上的复合材料用量也有大幅度提高。波音B777共用复合材料9.9吨,占结构总重的11%;“梦想飞机”B787用复合材料将达50%;A380大型客机可容纳乘客500～650人,仅碳纤维复合材料用量就达32吨左右,加上其他各种复合材料,总用量在25%左右,开创了大型民机大量使用复合材料的先河,见图4。其他如支线客机和公务机上复合材料用量可达10%～20%,轻型飞机和通用航空飞机上可达70%～90%,直升机可达50%～80%,无人机达50%～80%。A380(A350)、B787、A400M(40%)三大机种上复合材料
图4 复合材料在民机上的应用[4]
Fig.4 Applicationofcompositematerialsoncivilairplanes[4]
向、杂质和改善工艺条件,利用PAN或沥青纤维均可获得高强/高模纤维。事实上到目前为止,要稳定生产模量>700GPa和强度>5.5GPa的高模高强碳纤维,仍然是非常困难的。碳纤维的压缩强度较低,离子注入技术可改善碳纤维的压缩强度,但这种工艺成本很高。
2.2 低成本技术是先进复合材料拓展应用的根本手段与途径
21世纪,先进复合材料的需求将以更快的速度增长,而其高成本已经成为制约复合材料广泛应用的重要瓶颈,低成本复合材料技术已成为目前世界上复合材料研究领域的一个核心问题。提高先进复合材料的性能价格比,除了在原材料、装配与维护等方面进行研究改进外,更重要的是降低复合材料制造成本[9]。据统计先进复合材料的制造工艺成本占总成本的75%以上,复合材料产品的性能与成本之间存在明显的非线性关系。有时90%的性能只需60%的工艺成本,而其余10%的性能却需要40%的成本[10,11]。在过去的30多年中,复合材料的研究与开发重点放在材料性能和工艺改进上,目前的重点是先进复合材料的低成本技术,各种低成本技术的开发和应用将是复合材料发展的主流,其中的重点是低成本制备技术和制备技术的优化。美国制定并实施了许多低成本复合材料研究开发计划。
自动铺带技术和自动纤维丝束铺放技术具有高效、低成本的特点,特别适合于大尺寸和复杂构件的制造,减少了拼装零件的数目,节约了制造和装配成本,充分利用材料,并极大地降低了材料的废
的大规模应用形成了复合材料在航空领域再度“起飞”的态势[7]。
2 先进复合材料的研发热点
2.1 原材料技术是先进复合材料研发的基础与前提
基体和增强体等原材料是发展先进复合材料的基础和前提,而增强纤维技术尤为重要。碳纤维是20世纪60年代迅速发展起来的高新材料,主要包括以美国为代表的大丝束碳纤维和以日本为代表的小丝束碳纤维两大类。日本东丽公司开发了T300～T1000的高强纤维和M30S～M60J的高模纤维,其中T-300是最先商业化的普通碳纤维,T300/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用
[8]
。目前应用较多的高强度中模量碳纤维IM7
和T800H强度达到5.5GPa,T-1000的抗拉强度达到7.02GPa,是目前世界上强度最高的碳纤维。日本碳纤维生产代表了目前碳纤维不断向高性能方向发展的一个趋势。碳纤维发展的另一大趋势是开发大丝束纤维,大丝束纤维的生产对前驱体要求低,产品成本低(每千克碳纤维将降到10美元左右),非常适用于一般民用工业领域。
目前关于碳纤维的研究主要是提高模量和强度,降低生产成本。使用的纤维先驱体仍然主要是PAN和沥青纤维,二者的用量比例约为6∶1。一般来说,PAN基碳纤维具有高强度,而沥青基碳纤维具有高模量。但通过控制微观结构缺陷、结晶取
表1 美国低成本复合材料结构研究开发计划
Table1 ProgramsforlowcostcompositematerialsandstructuresofUS
项目名称
资助者
参加单位
时间
研究目标
批量产的F22飞机低成本制
DMLCC(低成本复合材料设计和制造)
空军
Boeing,MDC,GE,Bell
In1997
造技术研究,比原来复合材料结构成本降低50%
绕、编织等)
海军NASA
以F/A-18E/F为对象的主
AFS(先进机身结构)
3年
翼/机身,减重20%,降低成本30%
开发低成本材料、分析技术、
ACT(先进复合材料技术)
NASA
Boeing
10年
发展新设计、新制造方法,比金属结构减重25%
合等
ATCAS(先进复合材料飞机结构)
NASA
Boeing,MDC
以宽体民机机身为研究对象,开发轻质低成本复合材料结构
浸料,混编丝束预浸料,网状纤维预成型体,3D编织,缝织物预成型体,RTM,粉末预Dupont的LDF预浸料
主要低成本技术
RTM骨架,丝束铺放蒙皮,热铺覆成型的长桁,热塑性复合材料的特殊工艺(拉挤、缠
品率和制造工时。自动铺带机(ATL,automatedtape-laying)是美国波音、Cincinnatimachine与构设计、制造的灵活性,被称之为先进格栅增强结构(AGS)
[13-16]
。
Cytec共同努力,于20世纪70年代中期开始研制,现已发展了三代,效率较手工提高10倍,节省原材料,提高制件精度、质量,降低了成本。
降低复合材料制造成本的主要措施还有发展和改进低成本的制造技术,如改进的纤维缠绕和多维编织技术、树脂传递模塑(RTM)和树脂膜熔浸(RFI)工艺及其衍生工艺、新型非热压罐固化工艺以及工艺模拟和智能化技术。树脂传递模塑(RTM)和树脂膜熔浸(RFI)工艺具备如下优势:不需要制备复合材料预浸料,材料成本降低;不用热压罐固化,设备投资减少;可连续自动化生产,节省工时,提高效率;工装模具和装配工作量减少等。新型非热压罐固化工艺主要指微波、电子束、超声波、X射线固化方法等。目前研究最多、最有发展前景的是电子束固化工艺,该工艺的优点是固化温度低、耗能低、模具材质要求不高;固化过程时间短、效率高、环境污染小,并可与RTM、拉挤、缠绕等自动化工艺相结合[12]。
2.3 新型复合材料是先进复合材料可持续发展的趋势与动力
新型航空航天器的发展不断追求高效能、低成本、长寿命、高可靠,对其材料与结构的综合要求越来越高。为适应此应用需求,一些新型复合材料应运而生,在现有材料性能基础上继续挖掘先进复合材料潜力,如超轻材料与结构技术力求轻上加轻,纳米复合使其强上加强,多功能化追求功上加功。2.3.1 超轻材料与结构
(1)先进格栅增强结构(AGS)。传统格栅增强结构的概念是20世纪70年代由美国麦道公司首先提出,其基本构想是:整个结构由铝合金加强肋与蒙皮组成,加强肋呈正多边形网格分布,整个结构表现出各向同性。这种结构形式刚刚出现,就以较高的可设计性、优越的潜在性能备受关注。格栅结构先后在Wellingtom轰炸机的机身、太阳神和Delt运载火箭的整流罩上成功应用。20世纪90年代,Stanford大学提出了以纤维增强复合材料(CFRP)为加强肋的各向异性格栅增强结构。这种新型的结构表现出更多潜在的优越性能,与已有的铝合金格栅结构相比,提高了结构的比强度和比模量,同时增强了结构的抗腐蚀能力,而且可以利用自动化制造方法降低成本,最为突出的是增加了结
美国空军实验室1997年在国家导弹防御系统试验项目(BMDOCEP)支持下,成功设计、制造了以CFRP为加强肋的AGS整流罩,重量仅37kg,同类型铝合金防护罩重97kg,运用纤维缠绕技术实现了自动化生产,工艺周期缩短88%,比同类型蜂窝夹层结构制造复合材料整流罩减重40%,成本降低20%(见图5)
[17
]
。
图5 CEP火箭有效载荷整流罩
Fig.5 PayloadfairingofCEPlaunchrocket
先进格栅增强结构由于其突出的综合性能优势而受到普遍重视,NASALangley研究中心研究人员把先进格栅增强结构技术列入未来航天结构技术发展的六大方向之一的低成本结构技术之内;美国空间实验室把AGS技术列为迎接未来空间系统技术挑战的四大结构技术之一,并且指出了这项技术未来在航天器燃料储箱、机身等大型复杂部件应用的广阔前景[18]。俄罗斯CRISMB提出的应用对象包括级间段、内压容器、有效载荷适配器、运载飞船整流罩、飞机中机身舱段、翼盒、直升机垂尾梁、空间望远镜镜身以及建筑结构等
[19]
。
(2)点阵复合材料。2000年左右,在西方材料学界,哈佛大学的Evans教授、剑桥大学的Ashby教授、MIT的Gibson教授等人率先提出了一种空间点阵材料(结构)。这类结构类似于现有的空间网架,只是尺寸上要小得多,如图6。这类材料可能具有的优越性能———高比强度、高比刚度、多功能性等越来越受到材料学界的重视[20-22]。
近年来,轻金属泡沫材料和蜂窝夹层板在航空、航天结构中得到了广泛应用,尤其是航空结构
图6 典型空间点阵复合材料
Fig.6 Typicallatticecompositematerials
中使用了大量的蜂窝夹层板结构。单就芯材结构性能而言,蜂窝结构无疑是最合理的结构形式之一,但就夹芯结构而言,蜂窝夹芯结构也有弱点,即面板与芯材之间的粘接性能相对较弱,影响或者削弱了蜂窝夹芯结构的性能,从而导致夹芯结构的抗剪切、抗剥离、抗平压、抗疲劳等性能较低。为了使蜂窝夹芯板具有更高的性能,人们通常通过提高面板的材质厚度或选用高性能的粘接剂来满足设计者的要求,但是效果不是很明显,不能从根本上解决面板和芯材之间连接薄弱的问题。而格栅结构和点阵夹层结构是当前国际上认为最有前景的新一代先进轻质超强韧材料构
[24]
[23]
控元件预埋于蜂窝夹层板方案相比,该方案无需在结构中开槽挖洞,保持了结构材料的完整性,对结构的承载性能毫无影响,同时该方案大大降低了埋设工艺难度,提高了结构组装效率。另一方面,点阵材料自身也是优良的紧凑热交换器,可以部分或全部取代热控元件,实现散热功能。这些将为卫星结构的减重、热控设计提供一条新的途径[25]。2.3.2 纳米复合材料
纳米材料科学是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学,而且涉及到原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等诸多学科,由于纳米材料体系具有许多独特的性质,在实际应用和理论上都具有极大的研究价值,应用前景广阔,成为近些年来材料科学领域研究的热点之一,被誉为21世纪最有前途的材料。
纳米材料为常规复合材料的研究增添了新的内容,含有纳米单元相的纳米复合材料是纳米材料工程的重要组成部分,正成为当前纳米材料发展的新动向。纳米复合材料是由两种或两种以上的固相至少在一维以纳米级大小(1～100nm)复合而成的复合材料。纳米复合材料包括纳米颗粒增强复合材料、纳米片层增强复合材料、纳米纤维增强复合材料和碳纳米管增强复合材料等(图7)
[26]
,已经开始应用于航天结
。尤其点阵复合材料为结构进一步轻量化与
材料/结构/功能一体化设计及实现提供了更广阔的发展空间和可能性。
点阵材料的等效刚度和强度与材料的等效密度近似成线性关系,具有比当前常用的多孔材料高得多的刚度和强度。在相同的重量条件下,通常的点阵材料的面内杨氏模量可以比蜂窝等轻质材料高出两个数量级以上,其面外强度可高出一个数量级以上。同时,其独特的细观周期性三维网架结构体系为应用有限元结构体系对其进行最佳构型设计提供了可循之路。研究表明,经过优化设计后的点阵材料的承载能力更为突出。点阵夹芯结构应用于卫星结构,将使卫星的结构重量在整个卫星重量中的比重进一步减小,从而增大卫星的有效载荷。
当前的卫星设计多将结构承载系统和热控系统分离设计,这样,埋设热管的基板使卫星结构显得冗余,增加了结构重量,同时也无法充分利用结构材料的优势。点阵夹芯结构应用于卫星结构,可望实现卫星热控系统的全部或部分功能。点阵夹芯结构的空隙比一般大于90%,这种大的空穴为热控元件提供了安置空间,点阵材料的开口设计方案为也为热控元件的埋设提供了方便。与当前多采用的热
。
纳米复合材料已经成为先进复合材料技术的一个新增长点,也是先进复合材料技术研究最活跃的前沿领域之一。纳米复合材料的超常特性(如图8)使其在航空航天等领域具有广泛的应用前景。
纳米复合材料研制中存在的关键问题:(1)分散(Dispersion)。均匀分散纳米粒子和纳米管需要克服它们由于vanderWaals键形成的团聚,这是纳米复合材料制备加工的第一步,纳米片层结构的剥离也至关重要,如果分散得不好,影响材料的性能,导致材料力学性能下降。(2)
排列(Align-ment)。因为尺寸小,很难把纳米管像传统短纤维
图7 纳米复合材料
Fig.7 Nano-compositemateria
ls
复合材料的发展速度极快,材料种类也不断增多,材料的功能性也不断增强。其未来的发展方向是不断满足现有型号和各种新型号的需要,努力提高功能性,即将尽可能多的功能集于某一种单一材料上。
(1)碳/碳复合材料。随着新一代航空航天器向高超声速方向的发展,苛刻的超高温服役环境对材料及结构的承载与防热提出了严峻考验,碳/碳复合材料是适应这种需求的重要候选材料[27,28]。碳/碳复合材料从碳纤维增强相结构可分为碳毡C/C
图8 纳米复合材料的优异性能[3]
Fig.8 Excellentpropertiesofnano-compositematerials[3]
和多向编织C/C复合材料。作为一种新型战略材料,在美、俄、法、英、日等国家,其研制发展主要由空军、海军或政府预算中给予支持,因此,碳/碳复合材料的国防专用性和强烈的军事背景使其研制和使用具有高度的机密性。碳基防热复合材料主要用于烧蚀防热和热结构,较好地解决了轻质化、抗热震、耐侵蚀等技术难题。除了传统的碳/碳复合材料以外,近年来,美、俄、法等国家又开发了许多混杂其它材料的新型碳/碳材料,以满足不同的特殊使用要求,例如:在碳/碳材料中混入Si3N4、SiC、TiC、TaO、TaC等粉末,以提高碳/碳材料抗粒子侵蚀性能。更新的弹头鼻锥防热材料是针刺细编织物在穿刺或编织过程中加入改进性能的组分,如耐熔金属丝、耐侵蚀粒子等,这样可大大改进抗粒子侵蚀性能,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。从目前的实际情况及应用前景可以看出,碳/碳复合材料的研究和发展趋势大致为:从最初阶段的两向碳/碳复合材料向三向、四向等三维多
一样排列在聚合物基体中,缺乏对纳米管的定向排列的控制导致纳米管在复合材料中的增强效果下降。(3)成本(Costeffectiveness)。纳米复合材料的成本由纳米增强材料的成本决定,特别是纳米纤维和碳纳米管的成本较高,但无机纳米粒子和纳米黏土的成本较低,并且用量很低,可以预见随着纳米纤维和纳米管的大量应用,成本会进一步降低。2.3.3 多功能复合材料与结构
从20世纪50、60年代的复合型多功能复合材料到现在的多功能一体化复合材料,多功能复合材料的发展历史已近40年,在这几十年中,不仅多功能复合材料的概念、结构和种类都发生了巨大变化,而且其应用领域也由战略导弹扩展到卫星、航天飞机等各种宇航系统中,多功能复合材料的发展为航天工业和武器系统的发展打下了坚实的基础。新兴的多功能一体化型复合材料从一问世即引起了广泛的重视,20世纪90年代后,美国军方特别注重多功能复合材料的研究与发展,明确地指出该种材料在未来战争中将起到举足轻重的作用。多功能
向碳/碳复合材料发展;从单纯抗烧蚀碳/碳复合材料向抗烧蚀-抗侵蚀和抗烧蚀-抗侵蚀-稳定外形碳/碳复合材料发展;从防热材料向热结构材料发展;从单功能材料向多功能材料发展。
(2)透波复合材料。透波材料主要分为有机树脂基透波复合材料和陶瓷基透波复合材料两大类。有机树脂基透波复合材料具有高强、轻质和优良电性能等特点,成为低马赫数飞行器天线罩的首选材料。复合材料增强纤维由最初的普通玻璃纤维发展到S玻璃纤维、D玻璃纤维、E玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维、石英玻璃纤维和各种芳纶纤维等;基体树脂为聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、聚苯丙咪唑、聚酰亚胺树脂、硅树脂、聚四氟乙烯、氰酸酯树脂以及各种树脂的改性产物[29,30]。
目前,先进有机树脂基透波材料在国外战机上广泛应用,如F-22战斗机、JSF战斗机和EF2000战斗机等。许多先进制导导弹也采用了高性能天线罩材料,如俄罗斯的X-31п和美国的AGM-88A反辐射导弹采用了宽频带被动雷达天线罩。为提高有机树脂基透波复合材料的使用温度,国外近期在有机/无机杂化树脂方面开展了大量研究工作。美国报道了一种以硅为主链的树脂(DI系列树脂),石英纤维增强的DI树脂复合材料在538℃下保持很高的拉伸强度,介电性能在850℃以下保持稳定,已被用于制造耐温500℃以上的夹层结构宽频带天线罩。
(3)智能复合材料与结构。智能复合材料与结构不仅能够承受载荷,还能感知所处的内外部环境变化,并能通过改变其物理性能或形状等作出响应,借此实现自诊断、自适应、自修复等功能,具有广阔的应用前景
[31,32]
。美国国防部1997年颁布
的“基础研究计划”,把智能材料与结构列为6项战略研究任务之一。美国军方也制定了多项相关的研究计划,如弹道导弹防御局的“自适应结构计划”,陆军研究局的“智能材料与结构计划”,空、海军共同实施的“智能金属结构计划”,空军航天实验室的智能结构/蒙皮计划”等。在欧洲,英、法、意、德等国正在研究光纤自诊断智能结构和主动控制技术。日本在智能结构的航天应用方面做了大量研究工作,包括空间结构主动振动控制、自适应静态形状精确控制和自适应可变形桁架等。
在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮,可用于预警、
隐身和通信,如美国弹道导弹防御局正在为导弹预警卫星和天基防御系统空间平台研制含有多种传感器的智能蒙皮。用智能结构制成的自适应机翼,能实时感知外界环境的变化,并能驱动机翼弯曲、扭转,从而改变翼型和攻角,以获得最佳气动特性,降低机翼阻力系数,延长机翼的疲劳寿命。美国的一项研究表明,在机翼结构中使用磁致伸缩致动器,可使机翼阻力降低85%。美国波音公司和麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌入智能纤维,电致时可使桨叶扭转变形达几度。
2.4 设计/评价一体化技术是先进复合材料应用的重要支撑与保障
复合材料作为多相体(夹杂、基体、界面相等)材料,其自身具有显著和丰富的细观结构特征,因此其宏观性能和损伤、失效规律不仅取决于每一组分材料的特性,同时还依赖于复合材料的细观结构特征,其中包括夹杂(如纤维、晶须、颗粒、裂纹、空洞等)的体积分数、形状、尺寸、分布规律及界面形式等
[33]
。复合材料还具有材料-结构-工艺一体化
的特征,尤其对多向编织复合材料和纤维缠绕先进复合材料来说,构件的材料和结构的设计与制造都包含组分材料-复合材料-结构三个层次上的同时性,没有复合材料的成品或中间产品。因此,对复合材料的研究必须采用“设计/评价”一体化的研究思想。
复合材料细观力学研究的主要目的在于建立复合材料的宏观力学性能与其组分材料性能及细观结构之间的定量关系,这不仅可以揭示复合材料不同的材料复合具有不同的宏观性能的内在机制,进而还可为材料及结构分析提供理论依据和方法,同时也可以对复合材料进行细观层次上的设计,即根据工程的不同需求选取适当的组分材料及优化的细观结构形式。但由于复合材料损伤和破坏过程的多层次性和相互关联性,目前还不能有效地描述其复杂的损伤演化过程和断裂行为。因此,应结合现代先进的试验测试技术,从更细微观层次上探索和发现其损伤演化和破坏的新规律,同时,针对先进复合材料的结构材料同一性的特点,借助计算机辅助设计,从材料的细观设计出发,实现复合材料的材料与结构一体化优化设计,最大效能地发挥复合材料的潜力,这不仅对复合材料科学具有促进作用,而且对复合材料的工程应用具有重要的指导意义。
国防、航空航天以及其他领域的先进复合材料
“
的服役环境大都比较特殊,对服役环境下复合材料的考核是其能够应用的基本前提。直接在服役条件下进行材料实验,有时会无法获得演变过程的信息和控制因素,风险大、试验费用昂贵且难以实现。通过服役环境与材料作用过程的建模,建立实验模拟平台和数值模拟平台、发展先进的原位实时测试技术,为研究材料的环境行为打下基础,为材料优化设计提供验证手段;掌握材料行为对环境的响应规律是主动控制材料演变进而设计新材料的基础,确定并获取演变过程的材料信息和提炼使用性能的表征参数是控制材料演变和破坏的先决条件,获得材料失效过程的控制因素和控制方程,建立服役条件下材料性能的科学表征方法及材料环境行为数据库,实现失效过程的计算机拟实与控制;研究先进复合材料优化设计理论和方法,建立材料设计的数据库、知识库和程序库,进行多层次跨尺度的材料设计及性能预测,实现科学设计,实现从被动到主动、从定性到定量的飞跃。
3 我国先进复合材料可持续研发与应用中急需解决的问题
我国先进复合材料是在国防、航空航天领域的需求牵引下逐步发展起来的,经历了对前苏联、美国、日本、西欧以及俄罗斯等国的仿制和跟踪到形成自己的复合材料体系的不同阶段,同时由于受到体制分割和各自领域独立发展的制约和影响,在某种程度上已经形成了材料品种及牌号多、材料成熟度参差不齐、低水平或同水平重复以及较低的性能价格比的局面,从深层次上表现为在原材料的供应上存在着“瓶颈”效应,国产先进复合材料的性能、质量、规格、价格以及供货能力等方面还远远不能满足国防、航空航天以及民用领域的需求[34,35]。尤其在中国加入WTO之后,在自主知识产权、创新和提高竞争力等方面受到严峻的挑战。3.1 国产碳纤维
碳纤维是最重要的增强材料,我国碳纤维研发与生产中存在的几个问题:原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、应用基础研究薄弱等。国外预测我国将成为最大的复合材料制造商和用户,预计2010年中国的需求量将占世界的1/4[36]。
面对国外的技术封锁,我国的迫切需求,以及碳纤维的基础性、先导性以及战略性特点,解决碳纤维技术问题迫在眉睫。如,解决
PAN原丝及
图9 碳纤维年耗量(2004年10月德国汉堡国际碳纤维会议)Fig.9 Carbonfiberconsumption(Intertechscarbonfiber
conference,Oct.2004,Hamburg,Germany)
PAN碳纤维的关键技术问题,T300级PAN碳纤维实现大批量生产,满足国内对碳纤维材料的需求;T700级PAN碳纤维可进行小批量生产;争取在模量大于700GPa和强度大于5.5GPa的高模高强碳纤维关键技术方面获得突破,并同时开展大丝束、低成本碳纤维技术研究。3.2 低成本复合材料技术
我国在低成本复合材料技术方面也面临着很大的挑战,尤其是在低成本制造技术方面。以某机翼研制为例,碳纤维树脂基复合材料每千克成本为9600元,其中碳纤维约为1000元,树脂约为300元,纤维和基体的成本在总成本中占有份额小于15%,设计成本小于5%,而制造成本却高达80%。
首先,要继续发展低成本工艺技术,如树脂传递模塑(RTM)及其衍生工艺、电子束固化和低温固化工艺等。同时,发展制造过程优化以及工艺控制技术,提高复合材料的性能稳定性,也是降低成本的重要手段。大幅降低成本,提高制造效率的重要技术是自动化制造,如自动纤维铺放技术等,而我国先进的工艺装备还十分缺乏。
3.3 先进复合材料及结构的设计理论与方法
通过对复合材料几十年的研究和成功应用,人们对其有了更深刻的认识。自2000年以来,欧美等发达国家的先进复合材料在航空上用量有很大的飞跃,这其中的原因是多方面的,而科学合理的设计理论与方法也是其中的重要因素。
我国首先要解决的是设计理念上的问题。主承力结构件上大量用复合材料,需要设计师接受和信
当复杂,复合材料初始缺陷影响和损伤在跨层次结构中的发展、蔓延、传播并最终导致材料破坏与结构失效的机制复杂。因此,如何建立复合材料有效性能试验表征与评价体系,发展高精度的预报理论与方法,有效预测复合材料结构长时服役环境下的性能蜕变规律,给出科学合理的复合材料结构失效判据,定量化评价复合材料结构的可靠性和安全性,是复合材料工作者面临的重要课题。欧空局和NASA在此方面开展了长期的系统性的研究工作,各自建立了设计/分析/评价的软件平台,而且还在不断更新扩展[38]。如何获取结构服役的状态信息也是相当困难和有意义的工作,为此B787研制中实施了传感器计划,及时监测结构健康状态[7]。3.5 重视发展规划与加大国家支持力度
国外航空航天结构中先进复合材料用量不断增加,急剧上升。随着新一代飞行器的发展,特别是新一代卫星、大运载火箭、近空间飞行器和大飞机的发展,先进复合材料与应用将越来越重要。国家应从需求及复合材料科学与技术本身规划复合材料可持续发展问题,可以从复合材料与金属、高分子、无机材料同等重要,并且是航空航天四大材料(复合材料、铝、钛、钢)的角度,制定相关计划并动员社会力量推进复合材料可持续发展。重点解决先进复合材料研制中的共性和关键问题,发展我国的优势和精品系列材料,通过国家与企业协同支持,自主创新,使我国成为复合材料的强国。在满
赖复合材料。
其次是设计理论问题。复合材料的性能分散性和环境依赖性使其设计问题相当复杂,设计准则和结构设计值的确定还很保守。现有的方法需要大量试验,造成设计周期长成本高,美国的“Acceler-atedinsertionofmaterials”(图10)就是从以过去的试验为主向以分析为主的设计方法转变
[37]
。这就
需要高效的设计理论和方法,实现跨层次的高可信度设计和分析。另外,由于载荷和环境的非确定性以及复合材料性能的分散性等,国外也正开展用非
确定性方法设计和分析复合材料结构的研究。
再有就是数据积累的问题。复合材料的制备成本高、周期长,性能测试难度大、费用昂贵。设计、制备、评价和使用过程中获得的每一个材料性能数据都弥足珍贵。因此,建立长期的开放式的数据库系统十分必要。
最后,就是规范和标准问题。将复合材料的设计和鉴定文件化、规范化,使试验和分析更好地结合起来,形成设计和鉴定的统一指南,编制全行业的技术标准,显著改进最终产品的一致性,减小风险、降低成本。典型的有MIL-HDBK-17的重新修订,由FAA、NASA、军方和工业界共同组织200多位专家重新修订出版其新3卷本于1999年完成。
3.4 先进复合材料结构的安全与可靠性评价
复合材料结构形式、服役载荷及使用环境都相
图10 美国DARPA的复合材料插入计划
Fig.10 DARPAacceleratedinsertionofmaterials-composites
足国防、航空航天领域需求的前提下促进向民用领域拓展。
工艺,2000(6):5356.
ZhaoJiaxiang.DevelopmentofTORAYCAcarbonfibersandcomposites[J].AerospaceMaterials&Techonology,2000(6):53.
4 结束语
[9] NationalAerospaceLaboratoryNLR.Aerospacestructures
新型航空航天器的先进性标志之一是结构的先进性,而先进复合材料是实现结构先进性的重要物质基础和先导技术。我国将成为世界上先进复合材料的最大用户,却面临着国外的技术封锁及我国技术贮备的严重不足。因此,实现我国先进复合材料研发和应用的可持续发展,必须坚持自主创新,解决原材料问题,设计应用中的理论问题,低成本技术问题,政策支持问题。
致 谢:在本文写作过程中得到孟松鹤、梁军、张博明、戴福洪、陈绍杰、张佐光、燕瑛、李敏等教授、博士的协助,在此一并致谢。参考文献:
[1] StefanieF.Compositesforaerospaceapplication[EB/OL].
http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/stef/img3.htm.
[2] 师昌绪.材料大词典[M].北京:化学工业出版社,1994:2.[3] RobertIM.AdvancedcompositestructuresresearchinAus-tralia[J].CompositeStructures,2002,57:3.
[4] EDASDeutschlandGmbH,CorporateResearchCenter.The
researchrequirementsofthetransportsectorstofacilitateanincreasedusageofcompositematerialsI:Thecompositemate-rialresearchrequirementsoftheaerospaceindustry[EB/OL].[2006
12
27].http://gcep.stanford.edu/pdfs/as-
sessments/adv_transportation_assessment.pdf.
[5] DarrelT,ByronRP.Advancedcompositesdevelopmentfor
aerospaceapplications[EB/OL].[2006.http://cite-seer.ist.psu.edu/cache/papers/cs/29702/ftp:zSzzSztechre-ports.larc.nasa.govzSzpubzSztechreportszSzlarczSz2001zSzmtgzSzNASA20017sampe-drt.pdf/advanced-composites-devel-opment-for.pdf.
[6] RehfieldWR,CheungRH.Somebasicstrategiesforaero-elastictailoringofwingswithbend-twistcoupling[C]//44thAIAA/ASME/ASCE/AHSStructures,StructuralDynamicsandMaterialsConference.Norfolk,Virginia:AmericanInstituteofAeronauticsandAstronautics,Inc,2003:7.
[7] 陈绍杰.复合材料与B7E7[J].航空制造技术,2005(1):
34.
ChenShaojie.ReunitethematerialandtheB7E7dreamair-plane[J].Theaviationmanufacturingtechnique,2005(1):34.
[8] 赵稼祥.东丽公司碳纤维及其复合材料的进展[J].宇航材料
andmaterialsstatusreport2003[EB/OL].www.nrel.gov/ncpv/thin_film/docs/world_pv_status_rpt_2003.pdf.
[10]
刘 玲.碳/环氧复合材料性能与工艺成本平衡分析设计方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2004.
[11]RobinsonMJ.Aqualitativeanalysisofsomeoftheissuesaffecting
thecostofcompositesstructures[C]//Proc.23thInternationalSAMPETechnicalConf.CovinaCA:SocietyfortheAdvancementofMaterialandProcessEngineering,1991:445.
[12]
包建文,陈祥宝.电子束固化树脂基复合材料进展[J].高分子通报,2002(2):69.
BaoJianwen,ChenXiangbao.RecentAdvancesinElectron-beamCuredComposites[J].PolymerBulletin,2002(2):69.
[13]StevenH.Analysisandbehaviorofgridstructures[D].Stan-ford:StanfordUniversity,1995.
[14]StevenH,TroyE.Advancedgridstiffenedstructuresforthe
nextgenerationoflaunchvehicles[C]//
WoernerDF,ed.
1997IEEEAerospaceConferenceProceeding.Kahre:IEEEAerospaceandElectronicsSystemsSociety,1997:263.
[15]
章继峰,张博明,杜善义.平板型复合材料格栅结构的增强改进与参数设计[J].复合材料学报,2006,23(3):153.ZhangJifeng,ZhangBoming,DuShanyi.Improvementandparameterdesignofadvancedcompositegridplatestructures[J].ActaMateriaeCompositaeSinica,2006,23(3):153.[16]
einkTE,GregoreckG.Compositegridvscompositesand-wich:Acomparisonbasedonpayloadshroudrequirements[C]//1998IEEEAerospaceConferenceProceedings.Manhat-tanBeach:IEEEAerospaceandElectronicsSystemsSociety,1998:215.
[17]StevenMH,TroyEM,PeterMW,etal.Manufacturing
theoryforadvancedgridstiffenedstructures[J].CompositesPartA,2002,33(2):155.
[18]
NoorAK,SamuelL,VenneriDB,etal.Structuretech-nologyforfutureaerospacesystem[J].ComputersandStructures,2000,74(5):507.
[19]VasilievVV,RazinAF.Anisogridcompositelatticestruc-turesforspacecraftandaircraftapplications[J].CompositeStructures,2006,76:182.
[20]EvansAG,HutchinsonJW,FleckNA,etal.Thetopologi-caldesignofmultifunctionalcellularmetals[J].ProgressinMaterialsScience,2001,46:309.
[21]
方岱宁,郭海成,SohAK,等.轻质点阵材料的力学行为分析[C]//首届全国航空航天领域中的力学问题学术研讨会论文集.北京:中国力学学会,2004:22.
[22]
ibsonLJ,AshbyMF.多孔固体结构与性能[M].刘培生,译.北京:清华大学出版社,2003.
GibsonLJ,AshbyMF.Poroussolidstructure&perform-ance[M].LiuPeisheng,translation.Beijing:TsinghuaUni-versityPress,2003.[23]
AshelbyMF.Driversformaterialdevelopmentinthe21stcentury[J].ProgressinMaterialsScience,2001,46(3/4):191.
[24]JensenDW,WeaverTJ.Mechanicalcharacterizationofa
graphite/epoxyisotruss[J].JournalofAerospaceEngineer-ing,2000,13(1):23.[25]
张卫红,吴 琼,高 彤.周期性金属桁架夹心板的力学性能研究进展[J].昆明理工大学学报,2005,30(6):24.ZhangWeihong,WuQiong,GaoTong.Progressinthestudyonmechanicalpropertiesofperiodicmetallictrusscoresand-wichpanels[J].JournalofKunmingUniversityofScienceandTechnology,2005,30(6):24.[26]
hostensonET,LiC,ChouTW,Nanocompositesincontext[J].CompositeScienceandTechnology,2005,65(3/4):491.
[27]
俞继军,马志强,姜贵庆,等.C/C复合材料烧蚀形貌测量及烧蚀机理分析[J].宇航材料工艺,2003(1):36.
YuJijun,MaZhiqiang,JiangGuiqing,etal.PatternsurfacemeasureandablationanalysisforC/Ccompositematerial[J].AerospaceMaterials&Techonology,2003(1):36.[28]梁 军,杜善义.防热复合材料高温力学性能[J].复合材料
学报,2004,21(1):73.
LiangJun,DuShanyi.Thermalprotectioncompositehighheatmechanicalproperty[J].ActaMateriaeCompositaeSinica,2004,21(1):73.[29]
高树理,柴孟贤,张明习.透波复合材料的研究进展[J].工程塑性材料应用,2000,28(5):31.
GaoShuli,CaiMengxian,ZhangMingxi.Recentprogressintransparentcomposites[J].EngineeringandApplicationofPlasticMaterial,2000,28(5):31.[30]
郭玉明,颜鸿斌,凌 英,等.低密度烧蚀防热透波多功能复合材料的研究[J].玻璃钢/复合材料,2001(9):31.GuoYuming,YanHongbin,Lingying,etal.Studyofmulti-functioncompositeswithlowdensityablationheatprotection
andwavetransmition[J].FiberReinforcedPlastics/Compos-ites,2001(9):31.[31]
谢建宏,张为公.智能材料结构的研究与发展[J].传感技术学报,2004(3):165.
XieJianhong,ZhangWeigong.Researchanddevelopmentofsmartmaterialandstructure[J].ChineseJournalofSensorsandActuators,2004(3):165.[32]
杜善义,冷劲松,王殿富.智能材料系统与结构[M].北京:科学出版社,2001.
DuShanyi,LengJinsong,WangDianfu.SmartMatreialandStructure[M].Beijing:SciencePress,2001.[33]
杜善义,王 彪.复合材料细观力学[M].北京:科学出版社,1998.
DuShanyi,WangBiao.Compositemicromechanics[M].Bei-jing:SciencePress,1998.[34]
陈绍杰.先进复合材料的现状和趋势[J].高科技纤维与应用,2001,26(6):1.
ChenShaojie.Currentsituationandtrendofadvancedcompos-itematerials[J].Hi-TechFiber&Application,2001,26(6):1.[35]
陈祥宝.先进树脂基复合材料研究进展[J].航空工程与维修,2001(3):14.
ChenXiangbao.Developmentoftheadvancedpolymermatrixcomposite[J].AviationMainternance&Egnineering,2001(3):14.[36]
enRasmussen.Whatthecompositeindustryneeds[EB/OL].(2001[200627].http://www.composites-world.com/hpc/issues/2005/January/689/1.
[37]SaffCR,HahnGD,GriffithJM,etal.Acceleratedinser-tionofmaterials-composites[C]//46thAIAA/ASME/ASCE/AHS/ASCStructures,StructuralDynamics&MaterialsCon-ference.Austin,Texas:TheAmericanInstituteofAeronau-ticsandAstronautics,Inc,2005:18.
[38]FrankA,LevonM.DevelopmentofGENOAprogressivefail-ureparallelprocessingsoftwaresystem[EB/OL].[200627].http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/1999/CR-1999-
209404.pdf.