航空航天用无机非金属复合材料

       我国的航空工业随着社会经济的不断发展取得了飞跃式的进步，在世界航空航天方面拥有了瞩目的成就。在发展过程中，由于飞行器材料本身的高要求和飞行环境的严苛等诸多因素的影响，故对航天航空用材料有着很高的限制性。复合材料目前在航空结构上的用量接近于20%左右，且其需求量处于不断上升的趋势。

什么是复合材料？

       复合材料是将两种或两种以上性质不同的材料通过物理或化学的方法复合而成的一种在宏观（或微观）具有新型高性能的多相固体材料，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。

什么是无机非金属复合材料？

       而以无机非金属作为基体添加增强材料的复合材料称为无机非金属基复合材料，其通过适当的方法，将不同的材料加以组合、取长补短，集各种材料优点于一身，可得到兼备各种特性的新材料，这就是无机非金属基复合材料与复合技术迅速发展的根本原因。

无机非金属基复合材料的分类及应用：

       目前无机非金属基复合材料大概有以下几种。

       Ø 碳/碳复合材料

       碳/碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料。

       碳/碳复合材料具有诸多优点：高温下的稳定性，低密度，优异的抵抗热冲击能力，有石墨良好的抗侵蚀性，良好的抗冲击强度和相当于金属的强度。

       碳/碳复合材料根据碳纤维编制的方式不同，主要有2D碳/碳复合材料，2.5D碳/碳复合材料以及高性能的3D碳/碳复合材料，密度从0.2 g／cm3变化到2.0 g／cm3以上。

       在碳/碳复合材料中，碳基体与碳纤维之间的界面为弱结合，在宏观上表现为力学连续体。碳/碳复合采用增强体与基体均为碳材料，故而具有相近的热膨胀系数，在服役过程中，不会由于基体与增强体之间的热失配而产生参与应力，又极大地拓展了碳/碳复合材料的应用空间。

       其在航天、航空、化工领域、核工业等具有广泛的应用价值，尤其是成为了先进空天飞行器及其动力更系统等重大工程不可或缺的战略性材料。

       在航天领域，碳/碳复合材料主要用作烧蚀材料和热结构材料，应用于飞行器的高温防热部位，飞行器在高速飞行过程中，由于受到启动加热的影响，飞行器的鼻锥、固体火箭发动机喷管等等部位将面临超过3000 ℃高温的冲刷。

       美国MK等型号导弹的鼻锥帽就使用了碳/碳复合材料，在前期的实验验证中，该材料表现出良好的烧蚀性能，且整体外形保持良好，提高了该型号飞行器的命中率及精度。

       碳/碳复合材料也可以用于人造卫星的结构体，中南大学肖鹏教授团队通过高模量碳纤维表面微结构调控、改性和防静电技术等，显著提高了碳基复合材料的力学性能、导热性能、消光性能和尺寸稳定性，成功研制了薄壁（≤3 mm）异型、大尺寸、高精度的碳基复合材料抗杂散光主次镜光栏（约Φ500 mm×1000 mm）和遮阳罩（约800 mm×800 mm×1000 mm），具有密度低、稳定性好、耐高温、杂散光吸收抑制性能优异等特点，相比于传统材料单件减重7 kg，减重达40%，现已成功应用于我国第二代地球静止轨道气象卫星“风云四号”。碳基复合材料用于卫星探测系统抗杂散光主次镜光栏和遮阳罩为国内外首次。

       在航空领域，碳/碳复合材料最成功范例是作为飞机刹车盘。1973年，英国首次将碳/碳刹车装置用于麦道VC-10飞机，随后又用于“协和号”超声速飞机上，到20世纪80年代中后期已广泛用于高速军用飞机和大型民用客机，形成了成熟的市场。

       目前，用于刹车盘的碳/碳复合材料占到碳/碳复合材料的60%以上。碳/碳复合材料的其他应用目标是航空发动机的热端部件，如涡轮盘和叶片、燃烧室、喷油杆、内锥体和尾喷管调节片等。当航空发动机推重比达到15~20时，其工作温度高达2000 ℃，要求材料的比强度比目前高5倍，而发动机的质量在推重比10的基础上再降低50%。如此苛刻的条件，目前除碳/碳复合材料外的其他材料都已无能为力，因此世界各发达国家在发展新一代高推重比航空发动机中，无一不把碳/碳复合材料作为关键材料来竞相发展。

       比如，欧洲正在积极研制更高温度碳/碳复合材料，并拓展其应用领域，采用碳/碳复合材料制备的火箭发动机喷管，重量减轻了20% - 30%，提高了复合材料应用效率。

       然而，碳/碳复合材料在有氧环境下的氧化限制了其广泛的应用，研究者们通过在碳/碳复合材料表面制备抗氧化涂层，成功地将其应用于飞机上，实现了复合材料的防热一体化结构设计，同时也大大减轻了飞机的重量。

       Ø 超高温陶瓷材料及陶瓷基复合材料

       由高熔点硼化物、碳化物以及氧化物组成的多元复合陶瓷材料被称为超高温陶瓷材料，由于在2000 ℃以上表现出很好的抗氧化特性引起了军事和宇航上的高度关注和推动。

       陶瓷基复合材料也是当前研究人员重点研究的航空航天材料，在航空航天技术发展过程中，飞机上的各个设备都面临高温、高压的影响，如果这些设备材料不能够满足设备要求，可能会影响整个飞机运行稳定性，而陶瓷复合基材料因为具有抗高温的性能被应用于发动机部件领域。

       陶瓷基复合材料抗弯强度高、耐热性强、比重小，能够承受较高的热浪冲击。实际运用中，为了增强陶瓷复合基的韧性，保证复合基的使用质量，会在陶瓷复合基形成过程中加入一定量的纤维素，使陶瓷复合基具有一定的柔韧度，增强陶瓷复合基的使用性能，弥补了航空航天领域关于耐热结构材料所欠缺的空白，成为未来军事工业发展的重要基础材料之一。

       陶瓷复合材料主要被用于制作飞机燃气涡轮发动机喷嘴阀，因为其耐高温的特性，是高温发动机部件的不二之选。如在航空发动机的生产过程中，将陶瓷基复合材料运用于发动机的空气流动通道中，可以减少发动机的冷却过程甚至直接消除，从而大大降低涡轮扇发动机的重量，飞机发动机的效率也能够提升到新的层次。相应地，发动机性能、耐磨损能力、持久能力以及燃油经济性也能够得到很大改善。

       陶瓷隔热瓦是美国航天飞机迎风面使用的热防护材料，被视为航天飞机取得的重大成就之一。

       陶瓷隔热瓦的主要成分为石英纤维、硼硅酸铝纤维或氧化铝纤维，经高温烧结后，纤维之间相互“搭接”形成多孔结构，赋予陶瓷隔热瓦良好的隔热性能和力学性能。其中LI和FRCI的热导率较低，AETB和BRI的力学性能得到显著改善，高温稳定性也明显提高。

       此外，与陶瓷隔热瓦相匹配的高辐射涂层技术也取得了明显进步。先后研制了高温涂层，提高了陶瓷隔热瓦的使用性能，并在航天飞机热防护系统中得到充分体现。

       据报道，美国2010年4月发射的X - 37B轨道试验飞行器的迎风面使用了波音公司最新研制的BRI陶瓷隔热瓦，使用温度超过1315 ℃，其可靠性比航天飞机上使用的陶瓷隔热瓦有明显提高，且可以在恶劣的天气条件下发射。

       目前法国在陶瓷基复合材料生产方面处于世界领先水平，具有制造航天飞机SiCf/SiC和Cf/SiC大型部件的能力。Cf/SiC复合材料是制作抗烧蚀表面隔热板的较佳候选材料之一，它具有质轻耐用的特点。

       欧洲正集中研究载人飞船及可重复使用飞行器的可简单装配的热结构及热保护材料，其中Cf/SiC复合材料是重要材料体系，并已达到很高的生产水平。

       国内已成功制备出耐1500 ℃高温刚性隔热材料。此材料在1500 ℃经1 h处理后线收缩率＜2%，显示出较好的高温稳定性。航天特种材料及工艺技术研究所制备了耐1400℃刚性隔热材料，1200 ℃的压缩强度可达2.1 MPa。

       Ø 气凝胶复合材料

       气凝胶由于其高孔隙率，微纳米孔径，超低的密度等独特的性能，受到了研究人员的广泛关注，在生产生活等领域具有十分广阔的应用前景，但其较低的强度和韧性等限制了材料的广泛应用。为提高气凝胶材料的韧性和强度，各种增强材料（金属/氧化物、纤维、无纺布和薄膜等）与气凝胶材料进行复合后制得了具有独特性能的气凝胶复合材料。

       无机气凝胶的耐高温性能好，一般当温度达到800 ℃的情况下，气凝胶的结构、性能也不会发生明显的变化，有些无机气凝胶甚至可以能够承受2000 ℃高温。

       比如，Al2O3气凝胶，它不仅具有一般气凝胶的各种性质，而且还具有一些其它特性，主要体现在Al2O3气凝胶的微观结构由无定形态和多晶形态共同组成，具有耐高温和热稳定性。Al2O3气凝胶由于具有纳米孔洞的特点，有效地抑制了固体传热和气体传热，因此具有很低的导热系数，同时其最高使用温度可达1000 ℃以上。虽然目前对于Al2O3气凝胶的研究大部分工作还处于实验室阶段，但其表现出良好的耐高温和稳定性能，在高温催化、航天航空热防护结构中具有广阔的应用前景。

       而SiO2气凝胶是一种以气体为分散介质，由SiO2胶体粒子相互聚积形成的纳米多孔材料，是目前已知隔热性能最优异的固体材料。通过与不同纤维复合，使其具有优良的隔热性能、力学性能、耐温性等综合性能。国内已经研制了系列化的SiO2气凝胶隔热材料，中温型气凝胶隔热材料具有隔热性能优异、柔韧性好的特点；高温型气凝胶隔热材料具有耐1100 ℃高温、抗高温热辐射性能好的特点；高温透波型气凝胶隔热材料具有耐1100 ℃高温、介电性能好的特点。纳米孔超级隔热材料已成功应用于火星探测器的个别温度敏感部件及星云捕获器上，同时在高超声速飞行器、超声速巡航导弹的内部热防护方面都有重要应用。

       Ø 玻璃纤维复合材料

       玻璃纤维主要以天然无机非金属矿石为原材料，包括叶蜡石、石英砂、石灰石等，将它们按一定的比例混合，经过高温熔融、拉丝等多道炼制工艺制成其具有很多优异的性能。

       化学性能方面，玻璃纤维耐酸、抗紫外线、抗老化，且防蛀、防霉性能好；物理性能方面，玻璃纤维直径小，密度与铝相近，吸湿性小，导热系数小，尺寸稳定性、阻燃性、隔声性、耐热性好，电绝缘性能优异。

       力学性能方面，玻璃纤维高强、高弹、性脆，耐磨性差。基于上述玻璃纤维在物理、化学和力学方面的性能表现，其可用来制作增强材料、隔声材料、阻燃材料、绝缘材料、过滤材料、光导材料等。

       由玻璃纤维与碳纤维复合的摩擦材料耐磨性非常好，且具有较高的比强度、比模量。当碳纤维的质量分数为9.0％、玻璃纤维的质量分数为8.0％时，摩擦材料的摩擦性能达到最佳。这种摩擦材料可广泛应用于汽车轮胎等需忍受长时间、高强度摩擦的部件上。

       玻璃纤维-铝合金层叠板是一种由玻璃纤维增强复合材料和铝合金组成的混杂结构材料。该材料利用了铝合金优异的加工性、抗冲击性和玻璃纤维的高强度、耐疲劳特性，彼此取长补短、互相结合，产品具有防火、防雷击、隔声效果好、耐腐蚀、抗疲劳性能优异等特性。该材料可用作飞机的疲劳结构机件，是一种新型的航空结构材料。

       利用树脂作为基体材料、玻璃纤维作为增强材料，可得到一种强度高、耐腐蚀性好、电绝缘性能优异且质量轻的新型材料，产品可广泛应用于体育，用品、航空航天、汽车、输电线路建设等领域。例如：航空航天领域的发动机壳体与风扇、热防护材料、飞机副翼、方向舵等。

       未来航天复合材料技术将朝着高性能化、多功能化、低成本化方向发展，以其推动武器装备的更新换代，满足当前和未来新型航天武器装备的发展需求。

我们的服务

       我们在北京航空航天新材料产业集群新材料技术成果对接会上，充分了解了中国航天科工集团对于无机非金属材料的迫切需求。

       针对需求方提出关于无机非金属材料的应用背景和指标要求，借助北京市航空航天新材料集群资源优势，我们充分发挥创新资源，利用专家库和成果库，挖掘高校科研院所的现有技术成果。

       未来，我们将组织高校科研院所与需求方进行深度对接，共同研究航空航天用无机非金属材料的解决和应用方案，探讨双方深度合作与发展模式。