樹脂基體

為了提高先進樹脂基復(fù)合材料的使用性能，在環(huán)氧（EP）的基礎(chǔ)上，研究人員開發(fā)了雙馬來亞（BMI）基和耐高溫聚酰亞胺（PI）基等復(fù)合材料[1]。

環(huán)氧樹脂的綜合性能優(yōu)異，工藝性好，價格較低，是碳纖維復(fù)合材料中應(yīng)用最普遍的樹脂基體。缺點是韌性不足，耐疲勞性和耐濕熱性差，預(yù)浸料儲存期短。

雙馬來亞胺具有優(yōu)異的耐熱性、電絕緣性、透波性、阻燃性和耐候性以及良好的力學性能和尺寸穩(wěn)定性。其成型工藝類似于環(huán)氧樹脂，原材料來源廣泛、成本廉價，它的缺點是熔點高、溶解性差、成型溫度高及固化物脆性大等，通過改性可獲得韌性和耐濕性優(yōu)于環(huán)氧樹脂；工藝性優(yōu)于聚酰亞胺樹脂并接近環(huán)氧樹脂的雙馬來亞胺基，滿足于高速飛機主受力結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的需要。

熱固性聚酰亞胺是高溫型復(fù)合材料樹脂基體，在很寬的溫度和頻率范圍內(nèi)仍保持較高的介電性能。其缺點是固化困難，固化時常需要高溫高壓和復(fù)雜的升溫程序，由于反應(yīng)生成的水或溶劑的存在導致孔隙率較高，材料易吸潮，使電性能降低。

增強材料

先進樹脂基復(fù)合材料常用的增強纖維包括碳纖維和其他高性能有機纖維。目前應(yīng)用的最多和重要的是碳纖維，對碳纖維的研究目標主要是提高強度和降低成本。 

在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

先進復(fù)合材料的研究應(yīng)用主要集中于國防工業(yè)。國內(nèi)外先進復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用情況見表[1]。

戰(zhàn)機[2]

美國在復(fù)合材料方面具有強大的、 全面的研究和生產(chǎn)基地，綜合實力最強，是世界上戰(zhàn)機用先進樹脂材料最大的生產(chǎn)國和消費國。在戰(zhàn)機用先進樹脂基復(fù)合材料方面，其規(guī)模和技術(shù)都走在世界前列。圖為美國戰(zhàn)斗機復(fù)合材料使用分布圖。

第四代戰(zhàn)斗機Ｆ-22“猛禽”，僅就復(fù)合材料的用量來講并不是很高，只占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的24% ， 但與以往的機型相比，它的復(fù)合材料的應(yīng)用水平提高了一個級別。F-22上的復(fù)合材料不只用于蒙皮，而且還應(yīng)用于機翼梁和垂尾梁。F-22上大約有一半的復(fù)合材料是Fiberite977-3增韌環(huán)氧復(fù)合材料，另一半是雙馬來酰亞胺（BMI） 樹脂復(fù)合材料。F-22上的材料分布如圖所示。

為了保證飛機的隱身能力和對結(jié)構(gòu)重量的嚴格限制，F-35大量地采用了先進樹脂基復(fù)合材料。 蒙皮采用了使用溫度為177℃的石墨／環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，機翼和尾翼上的高溫部位采用了使用溫度為220℃ 的碳／增韌雙馬樹脂基復(fù)合材料。先進的結(jié)構(gòu)設(shè)計和大量地應(yīng)用復(fù)合材料，使 F-35可采用尺寸更大的整體部件來代替由各個零件組裝而成的部件，從而獲得更高的可靠性和易維護[3]。

針對20世紀80年代初美國的ATF先進戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機的研制計劃，前蘇聯(lián)也擬定出關(guān)于研制第五代（相當于西方第四代）殲擊機的秘密決定。 蘇霍伊和米高揚設(shè)計局制造出了S-37“ 金雕”（ 后改稱蘇-47)。S-37廣泛采用了先進材料，尤其是其前掠機翼幾乎全部采用復(fù)合材料制作，通過合理的纖維鋪層克服了前掠翼的“ 氣動彈性發(fā)散”問題 ， 這是S-37之一。2010年１月29日，“ 未來戰(zhàn)術(shù)航空綜合系統(tǒng)”（俄語縮寫PAKFA）[4,5]項目的原型機T-50實現(xiàn)了首飛。 復(fù)合材料約占T-50整機重量的25％，約占機體表面部分重量的70％。 與蘇-27相比，T-50機體零件的數(shù)量減少了四分之三。

與國外先進戰(zhàn)機相比，國產(chǎn)戰(zhàn)機的復(fù)合材料的用量較少，國內(nèi)戰(zhàn)機上復(fù)合材料的應(yīng)用情況列于表。 由表可見，在直升機領(lǐng)域復(fù)合材料的使用比例較大。 直-九直升機中復(fù)合材料的使用率約為23％。殲８、殲５戰(zhàn)機的垂直尾翼壁板及垂直尾翼使用了碳纖維樹脂基復(fù)合材料。全天候戰(zhàn)斗機殲10的前翼整體采用了復(fù)合材料[1]。 高級教練機L-15”獵鷹”06的機頭罩和方向舵大部件都是由國產(chǎn)高性能碳纖維復(fù)合材料制造的。

航天飛機[4]

以NASA開發(fā)的第２代可重復(fù)使用航天飛機為例，油箱內(nèi)襯為復(fù)合材料。在推進系統(tǒng)中將采用樹脂基復(fù)合材料涵道。第３代可重復(fù)使用航天飛機將為一智能結(jié)構(gòu)，具有自適應(yīng)熱防護系統(tǒng)及智能化無損檢測裝置，自愈合的飛機結(jié)構(gòu)及表面。結(jié)構(gòu)材料將包括超高溫樹脂基復(fù)合材料、低成本耐腐蝕熱防護系統(tǒng)復(fù)合材料液氧油箱。

美國高超聲速飛行器Ｘ-43是由超燃沖壓發(fā)動機作動力裝置的驗證機。其油箱機身由石墨／環(huán)氧框架及蒙皮組成。蒙皮外再覆以熱防護系統(tǒng)。飛機上翼面熱防護層為可剪裁的先進絕緣氈，下翼面為內(nèi)多層屏蔽絕緣物。

巡航導彈和固體火箭發(fā)動機

在火箭和導彈上使用碳復(fù)合材料減重效果十分顯著。因此，采用碳纖維復(fù)合材料將大大減輕火箭和導彈的惰性重量，既減輕發(fā)射重量又可節(jié)省發(fā)射費用或攜帶更重的彈頭或增加有效射程和落點精度[6]。

在樹脂基復(fù)合材料中，環(huán)氧樹脂（EP）是巡航導彈彈體結(jié)構(gòu)[7]所用復(fù)合材料中最主要的基體材料，在所有樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中所占的比例高達90％。但隨著飛行速度的提高，超聲速巡航導彈研究的日益深入，目前樹脂基復(fù)合材料的研究重點已由環(huán)氧樹脂向BMI、聚酰亞胺（PI）樹脂、氰酸酯樹脂轉(zhuǎn)移。Bryte公司最近開發(fā)了一系列氰酸酯樹脂基體，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達335℃，短時工作溫度達300℃，可以代替BMI和聚酰亞胺，氰酸酯樹脂已成為未來結(jié)構(gòu)／功能一體化的有力候選材料，可以作為超聲速巡航導彈復(fù)合材料舵面和彈體通常選用的樹脂。

耐高溫樹脂基復(fù)合材料是超聲速巡航導彈彈體結(jié)構(gòu)的主選材料，以BMI、PI樹脂為主。目前國內(nèi)的PI樹脂存在著性能不穩(wěn)定、工藝操作性差等諸多問題，難以成型大尺寸、復(fù)雜型面的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，不宜作為超聲速巡航導彈主體結(jié)構(gòu)樹脂[8,9]。

衛(wèi)星和宇宙飛船

宇航工業(yè)中除燒蝕復(fù)合材料外，高性能復(fù)合材料應(yīng)用也很廣泛。如三叉戟導彈儀器艙錐體采用Ｃ/EP后減重25％～30％，省工50％左右。還用作儀器支架及三叉戟導彈上的陀螺支架、彈射筒支承環(huán)，彈射滾柱支架、慣性裝置內(nèi)支架和電池支架等55個輔助結(jié)構(gòu)件。德爾塔火箭的保護罩和級間段亦由Ｃ/EP制造。宇航器“空中旅行者”的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)外蒙皮采用了Ｋ-49/EP。人造衛(wèi)星使用碳復(fù)合材料制造衛(wèi)星整流罩、展開式太陽能電池板，而宇宙飛船使用碳復(fù)合材料制造防熱材料、太陽能電池陣基板和航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等[8，9]。

民用大飛機[10]

民用航空材料方面由于采用環(huán)氧基碳纖維增強材料，帶來非常明顯的性價比，歐洲空中客車公司提出更多地用輕質(zhì)高強材料使機身減重30%，整個飛行成本可降低40%。再如波音B777飛機上采用碳纖維增強工程塑料量達9.9ｔ，占結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的11％。而波音B787飛機上采用環(huán)氧樹脂基、雙馬來酰亞胺基體碳纖維復(fù)合材料和熱塑性工程塑料，其用量達機重的50％。環(huán)氧樹脂基、雙馬來酰亞胺基碳纖維復(fù)合材料主要用來制造機翼、機身、地楞橫梁等部位的結(jié)構(gòu)材料，內(nèi)部裝飾上也大面積使用了熱塑性工程塑料[11]。

汽車領(lǐng)域

樹脂基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強高（節(jié)能），易于加工和改型，耐腐蝕等優(yōu)點，在機車、汽車制造業(yè)獲得了越來越廣泛的用途。樹脂基復(fù)合材料在機車和汽車制造業(yè)的用途，材料及制造工藝、性能見表[12]。

機車

機車車輛的轉(zhuǎn)向架是支承車體，保證列車運行平穩(wěn)性的重要部件，其構(gòu)架又是特別重要的高強度、高耐疲勞性能的大型承載構(gòu)件。樹脂基復(fù)合材料在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的應(yīng)用首推德國，并在世界上也是首次。早在80年代中期，德國AEG和MBB公司就在聯(lián)邦研究技術(shù)部的支持下，在聯(lián)邦鐵路的合作下，研究試制成世界上第一臺復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架構(gòu)架（稱之為FVW構(gòu)架），型號為HLD-E的轉(zhuǎn)向架設(shè)計速度200km/h，由兩根側(cè)梁和兩根橫梁組成構(gòu)架，用復(fù)合材料制成一個整體的雙H形構(gòu)架。

目前在西歐，制造鐵道車輛用的復(fù)合材料中，按纖維種類分，玻璃纖維占58%. 芳族聚酸胺纖維占20%，碳纖維占20%，其他占2%；按樹脂的種類分，聚酯占35%，乙烯酸酯占22%，環(huán)氧樹脂占21%，酚醛樹脂占15%，改性的丙烯酸樹脂占4%，其他占3%。

汽車

樹脂基復(fù)合材料汽車發(fā)動機部件的大量使用是從1990年開始的，它首先用在美國通用汽車公司3.3/3.8L V6轎車發(fā)動機閥門罩上，用它代替模鑄金屬罩可減輕質(zhì)量（比鋁輕33%，比鋅輕75%）。在所用的玻璃纖維增強熱固性聚酯SMC和BMC中已經(jīng)加入了顏料，所以無需涂漆。通過模壓零件已經(jīng)組合成一體，減少了裝配工作量，其尺寸已經(jīng)符合對制品的最終要求，減少了機加工量和修整工作量。

材料能夠滿足發(fā)動機所要求的耐熱性、電絕緣性、隔熱性以及耐腐蝕性，所以很快得到推廣應(yīng)用。已在600多萬臺GM3800型發(fā)動機上配用了超過1200萬個樹脂基復(fù)合材料閥門罩，沒有發(fā)生過質(zhì)量問題。

使用復(fù)合材料制作汽車發(fā)動機部件，減輕了車輛質(zhì)量，降低了零件成本，無需表面涂漆等工藝，其外觀與金屬幾乎相同，密封性能良好，還降低了發(fā)動機的噪聲。所以美國三大汽車公司均開始使用，并在未來幾年有大規(guī)模生產(chǎn)的計劃。

在雷達上的應(yīng)用

衛(wèi)星天線系統(tǒng)

衛(wèi)星天線與普通天線最大的不同之處在于要經(jīng)受運載火箭的發(fā)射載荷和空間環(huán)境的驗，因而，衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)材料及其工藝研究一直是衛(wèi)星天線工程化工作的一個重要內(nèi)容。以碳纖維復(fù)合材料為代表的先進樹脂基復(fù)合材料具有密度小、比強度比模量高、線脹系數(shù)小及獨特的電磁性能等，已成為衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)常用的材料，如表所示[13]。

雷達罩

最早的雷達罩( 如美國的FPS-49 雷達天線罩、我國大部分地面和機載雷達天線罩等) 表皮材料多為玻璃纖維復(fù)合材料。隨著先進復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，新材料品種不斷涌現(xiàn)，其他材料( 如Kevlar 纖維、石英纖維復(fù)合材料等) 在雷達天線罩上的應(yīng)用也嶄露頭角，美國于20世紀80年代研制的M-161飛機的雷達天線罩就是采用芳綸纖維復(fù)合材料制造的。

近期研發(fā)應(yīng)用的雷達罩用樹脂系統(tǒng)有氰酸酯、聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺、聚醚醚酮、聚苯并咪唑等。它們都具有耐溫高、介電性能好的特點，尤其是氰酸酯樹脂的介電性能具有明顯的寬帶特性，適于制造高性能雷達罩，美國的F-22戰(zhàn)斗機雷達罩就是采用石英纖維氰酸酯復(fù)合材料制造而成的。

天線反射面[14]

碳纖維復(fù)合材料天線反射面已有許多應(yīng)用實例。早在20世紀70年代，美國海盜號宇宙飛船就使用了碳纖維復(fù)合材料的天線反射面; 近幾十年來國內(nèi)的航空、航天、電子等行業(yè)也先后研制生產(chǎn)了大量碳纖維復(fù)合材料天線反射面并裝備了部隊。如某研究所于20世紀90年代研制成功的雙曲面碳纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)天線反射面，其芯材采用玻璃布蜂窩，厚度為10 mm，重量僅為1.6 kg，較相應(yīng)的鋁天線反射面減重30%，反射面表面曲率精度為0.13mm( 均方根誤差) ，大大優(yōu)于鋁制天線( 0.20mm)，在3cm波段的副瓣電平低于-27dB，達到低副瓣天線水平，提高了雷達性能，已用于直升機反潛搜索雷達。當前，國內(nèi)研制的復(fù)合材料天線反射面表面曲率精度大都為0.12~0.20mm( 均方根誤差)。

饋源

喇叭、波導制造也是先進復(fù)合材料的一大應(yīng)用方向。20 世紀80 年代末，國內(nèi)電子某所就研制了碳纖維復(fù)合材料戰(zhàn)場偵察雷達饋源( 八孔喇叭) ，其重量僅為0.88kg，而相應(yīng)的銅質(zhì)饋源重量為4.04kg。21世紀初，國內(nèi)某研究所開始研制車載碳纖維復(fù)合材料喇叭天線，目前已批量生產(chǎn)，電性能與原鋁喇叭相當，而重量卻減輕了一半，經(jīng)濟技術(shù)效益明顯。

對于波導喇叭元件特別是形狀復(fù)雜的零件[15]，采用復(fù)合材料制造可以避免金屬材料焊接過程中產(chǎn)生的變形，所以制件精度易于保證，電性能優(yōu)異。國外復(fù)合材料微波器件制造已達到相當高的水平，瑞典埃列克森公司研制的碳纖維復(fù)合材料裂縫天線已用于機載雷達，較金屬天線減重30% 左右。國內(nèi)對3cm的長波導管( 700mm長，半高度波導) 也進行了研制并取得了可喜成績。

結(jié)構(gòu)件

結(jié)構(gòu)件是先進復(fù)合材料應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域[16]。隨著結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及制造技術(shù)的發(fā)展，在航空、航天及交通運輸行業(yè)，先進復(fù)合材料的應(yīng)用已從非承力構(gòu)件到次承力構(gòu)件，現(xiàn)在已發(fā)展到主承力構(gòu)件的階段。目前雷達產(chǎn)品中也已大量使用碳纖維復(fù)合材料制作結(jié)構(gòu)件，如各類框架、顯控臺、背架等，其主要作用就是在保證剛強度的前提下減輕重量。

印刷線路板基板材料

印刷線路板基板材料是雷達必不可少的重要原材料，從接收、發(fā)射到信號處理，無一不需要基板材料制造印刷線路。為此，國外研制開發(fā)了多種高性能樹脂和增強材料。樹脂主要有耐高溫環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂、雙馬來酰亞胺改性三嗪樹脂、聚苯醚樹脂、聚四氟樹脂等，以此提高耐熱性，降低介電常數(shù)和損耗角正切。在增強材料方面，通過改進玻璃纖維布中的玻璃成份，改進玻璃纖維的偶聯(lián)劑和加工方法以及采用其他新型高性能增強材料，來提高基板的各項性能。美國杜邦公司開發(fā)的芳綸纖維基復(fù)合材料基板及熔石英纖維基板，熱膨脹系數(shù)為6*1-6～ 9*10-6，能與陶瓷載體匹配，用于表面安裝。國內(nèi)一些研究單位也在研制氰酸酯、聚苯醚、聚丁二烯等低損耗樹脂系統(tǒng)材料，用于高頻電路用基板材料的制造[14]。

隱身復(fù)合材料

隱身技術(shù)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中出現(xiàn)的一種以出奇制勝、提高突防能力、自我保護及自我生存能力為目的的高新技術(shù)。先進復(fù)合材料用于隱身技術(shù)具有選擇范圍廣、隱身效果好、可實現(xiàn)復(fù)雜外形隱身、減重、具備多種隱身效果及特殊功能的優(yōu)勢，先進隱身飛機、艦船、導彈及其他隱身武器中都大量采用了隱身復(fù)合材料技術(shù)[17]。美國B-2 轟炸機大量采用了隱身復(fù)合材料，其大型機翼蒙皮采用具有吸波性能的S玻璃纖維、芳綸纖維及碳纖維等多種纖維混雜的復(fù)合材料制作，除了具有吸波作用外，還提高了外形的整體性，減少了由對接縫隙和鉚釘引起的雷達波散射。F-22隱身飛機復(fù)合材料用量達到整機重量的26%，其中雷達罩、機翼前后緣、平尾、后機身下蒙皮均采用了復(fù)合材料夾層吸波結(jié)構(gòu)。

結(jié)束語