碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料正在迅速普及，成為飛機(jī)、航天器、衛(wèi)星、導(dǎo)彈制造的首選材料。

  近年來，已在全球多個(gè)航空航天項(xiàng)目中用作主要結(jié)構(gòu)材料，碳纖維具有耐腐蝕、符合輕量化的發(fā)展趨勢、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維復(fù)合材料憑借優(yōu)異的力學(xué)性能被越來越多地應(yīng)用于航空航天工業(yè)。

  過去十年，在航空復(fù)合材料領(lǐng)域一直在降低成本，提高零部件性能并減輕零部件重量，復(fù)合材料現(xiàn)已在飛機(jī)中獲得公認(rèn)的地位，而碳纖維增強(qiáng)材料已成為輔助組件如（機(jī)翼活動(dòng)翼，襟翼，擾流板，方向舵，直升機(jī)葉片，座椅，肋骨，室內(nèi)裝飾，舷窗，扶手等），并已進(jìn)入主要結(jié)構(gòu)組件，例如主翼，機(jī)尾，機(jī)身，完整的水平穩(wěn)定器和垂直穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)。已大量使用在波音787和空客A350、A380等。

  衛(wèi)星結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度、剛度以及使用環(huán)境的要求與飛機(jī)結(jié)構(gòu)有明顯差別，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度的條件下主要解決剛度的問題，因此需要采用具有一定強(qiáng)度的高模量復(fù)合材料。

  目前已廣泛用于航空航天，火箭，導(dǎo)彈和飛行設(shè)備及發(fā)射裝置。

  用作航空和航天器的結(jié)構(gòu)材料，如（火箭排氣錐，發(fā)動(dòng)機(jī)罩與殼體；衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，太陽能電池板和天線，運(yùn)載火箭等）。

  碳纖維復(fù)合材料在導(dǎo)彈中用于舵面、天線罩、整流罩、進(jìn)氣道，導(dǎo)彈彈頭，彈殼等。

                    樹脂基復(fù)合材料的主要缺陷

樹脂基復(fù)合材料是一種非均勻、多界面結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部缺陷特征和無損評估方法與金屬材料有較大差異。在樹脂基復(fù)合材料的制造及使用過程中易形成孔隙、孔洞、分層、脫粘、夾雜、疏松、基體開裂、貧膠、富膠、纖維含量不正確、裂紋、纖維屈曲與錯(cuò)位等缺陷。

  表 1 列舉部分樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部缺陷種類、成因及特征。

圖一是材料內(nèi)部缺陷示意圖

復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的存在可造成材料局部應(yīng)力集中以及強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能下降等現(xiàn)象。當(dāng)缺陷達(dá)到一定嚴(yán)重程度時(shí)，甚至引起結(jié)構(gòu)失效。因此，用于復(fù)合材料制造和服役階段缺陷評估的無損檢測技術(shù)對于保障構(gòu)件使用可靠性具有重要意義。

相比于傳統(tǒng)材料，先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料具有鮮明的高比強(qiáng)度、高比剛度等性能優(yōu)勢，可以滿足空天往返飛行器的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造需求。從國外空天往返飛行器輕量化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研制進(jìn)展可見，匹配不同結(jié)構(gòu)部段使用溫度的高性能碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，是飛行器輕質(zhì)機(jī)體主承力、次承力結(jié)構(gòu)選用的主要結(jié)構(gòu)材料；依據(jù)飛行器機(jī)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力工況，綜合考慮不同復(fù)合材料制造工藝特點(diǎn)、制造成本等因素，采用合適的制造工藝實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的最優(yōu)制造。高性能樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用到以X-33、X-37B、HOPE-X為代表的空天飛行器機(jī)體結(jié)構(gòu)件研制中，驗(yàn)證了空天飛行器用輕量化結(jié)構(gòu)和材料技術(shù)，應(yīng)用成熟度達(dá)到較高水平。先進(jìn)樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料技術(shù)是空天往返飛行器輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件研制的核心技術(shù)之一，也是實(shí)現(xiàn)飛行器總體性能的關(guān)鍵一環(huán)。

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