复合材料在航空航天中的应用介绍

现代航空航天的迅速发展导致了飞机材料的改进。降低成本、轻量化和延长飞机结构部件的使用寿命是主要的驱动因素。

复合材料是通过混合两种或两种以上不同的材料，通常具有不同的性质，以产生具有有用属性的物质而制成的材料。本文重点介绍了新型复合材料在航空航天工业中的优势和应用。

复合材料在航空航天领域的应用优势

由于多种因素，复合材料在航空航天工程中越来越受欢迎。它们比金属等传统材料轻得多。减轻重量在航空航天工程中至关重要，因为它可以提高发动机性能并减少排放。轻质复合材料在减少航空航天部门的财务支出和生态影响方面都很有用。

复合材料是高度通用的，因为它们能够被塑造成复杂的配置。不受传统材料的限制，工程师可以根据特定飞机的要求定制零件。

复合材料还具有极强的抗风化和抗疲劳性能，是飞机制造的理想材料。它们承受异常高温的能力是主要优势，特别是在航天器和再入飞行器中的应用。由于这些原因，复合材料被用于建造飞机和航天器的主要承重结构，如机翼、机身、起落架、发动机舱等。

航空航天用增强碳纤维复合材料

在过去的几年中，碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料由于其紧凑的尺寸、优异的耐久性和耐腐蚀性，已成为航空航天和风能设备的重要材料。由于其低密度，碳纤维增强碳基复合材料，也称为碳/碳(C/C)复合材料，是轻量化复合材料的杰出组成部分。

两种非常受欢迎的远程飞机——空客A350和波音787——超过50%的机身都是由cfrp组成的。A380是第一架采用CFRP复合材料核心翼盒的飞机，与最先进的铝合金相比，可节省1.5吨的重量。

在最近发表在复合材料文章中，有作者报道了碳化铪纳米线(HfCNWs)增强的致密碳纤维复合材料。将HfCNWs加入到C/C复合材料中导致了轻量化HfCNWs-C/C复合材料的发展。并对两种复合材料在1800℃、2100℃和2450℃退火后的拉伸强度进行了评价。

HfCNWs-C/C的机械强度保持率(MSR)大于C/C。含HfCNWs的C/C复合材料的质量烧蚀率降低。这是因为HfCNWs的分解导致消融期间体重增加。

因此，它被证明是一种轻质的超高温复合材料，具有出色的高温效率，显示出在航空航天领域作为热结构部件的巨大潜力。

航空航天工业中的镁和陶瓷复合材料

镁基复合材料被应用于各种功能，包括航空航天飞行器的发动机组件、制动元件和运动轴。在F16飞机上，铝制入口已被用SiC颗粒增强的镁基复合材料取代，从而提高了疲劳寿命。

燃气轮机叶片尤其需要能够承受高温的材料。极轻的复合材料涡轮叶片在大约1050°C的涡轮排气温度下保持其强度。

在汽车和航空航天领域，制动技术是目前研究的一个关键领域。在飞机上，刹车机构根据流经圆盘(转子和定子)的液压进行调整，产生摩擦，将陶瓷复合材料部件的外部温度提高到1500°C到3000°C之间。在商用客机制动系统中采用这种材料可以减少经济重量。

波音公司正在为商用飞机开发复合材料Nextel 610/铝硅酸盐排放喷嘴和声学结构。GE航空在陶瓷复合材料方面投入了大量资金，F414发动机的分流排气密封最初就采用了陶瓷Ox/Ox复合材料。

航空航天工业中的自修复复合材料

根据发表在《聚合物》杂志上的最新文章，自修复复合材料在航空航天领域越来越受欢迎。复合材料的劣化是由冲击载荷引起的。冲击损伤从微小的空洞开始，发展为严重的微观开裂和结构破坏。由于其增强的细胞迁移性，聚合物及其复合材料已成为普遍存在的自修复材料。

利用共静电纺丝技术制备了一种具有自修复核-壳纳米纤维界面的多尺度聚碳酸酯复合材料。在层状复合材料中，当发生分层等界面损伤时，芯壳被设计成自愈。在航空航天领域，碳纤维增强塑料(CFRP)复合材料中加入了含有修复剂的微胶囊，以避免分层断裂。

自修复复合材料通常用作机身、机翼、内燃机、叶栅等航空结构中的保护层或障碍物。碳基体中的硅和硼基晶体成分也被用作自修复材料。

纳米复合材料在航空航天工业中的应用

《纳米技术评论》杂志发表了一篇关于纳米复合材料在航空航天工业中的应用的文章。一种由纳米二氧化硅和乙丙橡胶(EPDM)组成的纳米复合材料正被用作一种热阻物质，以保障发射过程中航天器的结构部件。并进行了用纳米复合材料代替传统聚合物基复合材料在固体火箭发动机(SRM)中的应用。为了提高SRM材料的隔热性能，采用热塑性聚氨酯弹性体纳米复合材料(TPUNs)取代传统的凯夫拉增强三元乙丙橡胶(EPDM)。

制造基于纳米复合材料的可拉伸传感器，用于变形飞机的SHM，以跟踪航空航天变形系统中的断裂发展，是另一个重要的应用。

利用碳纳米管增强聚丙烯纳米复合材料，构建了受自然影响的微型飞行器的扑翼概念。实验分析表明，人工构造翅膀的原始频率与蜻蜓翅膀的共振频率非常相似。

根据发表在《聚合物》杂志上的研究，磁性聚合物纳米复合材料也已经进入了航空航天领域。作为电磁干扰（EMI）屏蔽材料，采用了经磁化金属纳米颗粒处理的聚合物基体复合材料。基于聚合物基质纳米复合材料并辅以无机物质的涂料和颜料已经被开发出来。

这种方法有几个好处，包括经济的成本，制造的简单性，以及生产坚固和轻质材料。结构健康监测(SHM)是确定航空航天部件结构完整性的重要方法。作为航空航天传感测量仪的可行元素，无机/有机复合压电材料得到了应用。

航空航天复合材料市场概述

根据Marketsandmarkets发布的报告，2022年全球航空航天复合材料市场估计为297亿美元，预计到2027年将达到516亿美元，从2022年到2027年的复合年增长率为11.7%。由于航空复合材料具有卓越的性能特点，可以承受恶劣的条件，因此市场正在扩大。此外，全球对节油型飞机的需求不断增长，预计将在短期内推动市场扩张。

简而言之，复合材料是航空航天结构领域的支柱，世界各地的研究人员都在研究制造新型复合材料，以确保优越的强度和性能。

此文由中国复合材料工业协会综编，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。