樹(shù)脂基體

為了提高先進(jìn)樹(shù)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(kāi)發(fā)了雙馬來(lái)亞（BMI）基和耐高溫聚酰亞胺（PI）基等復(fù)合材料[1]。

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

雙馬來(lái)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(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性。其成型工藝類(lèi)似于環(huán)氧樹(shù)脂，原材料來(lái)源廣泛、成本廉價(jià)，它的缺點(diǎn)是熔點(diǎn)高、溶解性差、成型溫度高及固化物脆性大等，通過(guò)改性可獲得韌性和耐濕性?xún)?yōu)于環(huán)氧樹(shù)脂；工藝性?xún)?yōu)于聚酰亞胺樹(shù)脂并接近環(huán)氧樹(shù)脂的雙馬來(lái)亞胺基，滿(mǎn)足于高速飛機(jī)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(shù)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(diǎn)是固化困難，固化時(shí)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(dǎo)致孔隙率較高，材料易吸潮，使電性能降低。

增強(qiáng)材料

先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料常用的增強(qiáng)纖維包括碳纖維和其他高性能有機(jī)纖維。目前應(yīng)用的最多和重要的是碳纖維，對(duì)碳纖維的研究目標(biāo)主要是提高強(qiáng)度和降低成本。 

在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

先進(jìn)復(fù)合材料的研究應(yīng)用主要集中于國(guó)防工業(yè)。國(guó)內(nèi)外先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用情況見(jiàn)表[1]。

戰(zhàn)機(jī)[2]

美國(guó)在復(fù)合材料方面具有強(qiáng)大的、 全面的研究和生產(chǎn)基地，綜合實(shí)力最強(qiáng)，是世界上戰(zhàn)機(jī)用先進(jìn)樹(shù)脂材料最大的生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。在戰(zhàn)機(jī)用先進(jìn)樹(shù)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(guó)戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料使用分布圖。

第四代戰(zhàn)斗機(jī)Ｆ-22“猛禽”，僅就復(fù)合材料的用量來(lái)講并不是很高，只占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的24% ， 但與以往的機(jī)型相比，它的復(fù)合材料的應(yīng)用水平提高了一個(gè)級(jí)別。F-22上的復(fù)合材料不只用于蒙皮，而且還應(yīng)用于機(jī)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(lái)酰亞胺（BMI） 樹(shù)脂復(fù)合材料。F-22上的材料分布如圖所示。

為了保證飛機(jī)的隱身能力和對(duì)結(jié)構(gòu)重量的嚴(yán)格限制，F-35大量地采用了先進(jìn)樹(shù)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(shù)脂基復(fù)合材料，機(jī)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(shù)脂基復(fù)合材料。先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(lái)代替由各個(gè)零件組裝而成的部件，從而獲得更高的可靠性和易維護(hù)[3]。

針對(duì)20世紀(jì)80年代初美國(guó)的ATF先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)的研制計(jì)劃，前蘇聯(lián)也擬定出關(guān)于研制第五代（相當(dāng)于西方第四代）殲擊機(jī)的秘密決定。 蘇霍伊和米高揚(yáng)設(shè)計(jì)局制造出了S-37“ 金雕”（ 后改稱(chēng)蘇-47)。S-37廣泛采用了先進(jìn)材料，尤其是其前掠機(jī)翼幾乎全部采用復(fù)合材料制作，通過(guò)合理的纖維鋪層克服了前掠翼的“ 氣動(dòng)彈性發(fā)散”問(wèn)題 ， 這是S-37之一。2010年１月29日，“ 未來(lái)戰(zhàn)術(shù)航空綜合系統(tǒng)”（俄語(yǔ)縮寫(xiě)PAKFA）[4,5]項(xiàng)目的原型機(jī)T-50實(shí)現(xiàn)了首飛。 復(fù)合材料約占T-50整機(jī)重量的25％，約占機(jī)體表面部分重量的70％。 與蘇-27相比，T-50機(jī)體零件的數(shù)量減少了四分之三。

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

航天飛機(jī)[4]

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

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

巡航導(dǎo)彈和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

在火箭和導(dǎo)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(dǎo)彈的惰性重量，既減輕發(fā)射重量又可節(jié)省發(fā)射費(fèi)用或攜帶更重的彈頭或增加有效射程和落點(diǎn)精度[6]。

在樹(shù)脂基復(fù)合材料中，環(huán)氧樹(shù)脂（EP）是巡航導(dǎo)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(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中所占的比例高達(dá)90％。但隨著飛行速度的提高，超聲速巡航導(dǎo)彈研究的日益深入，目前樹(shù)脂基復(fù)合材料的研究重點(diǎn)已由環(huán)氧樹(shù)脂向BMI、聚酰亞胺（PI）樹(shù)脂、氰酸酯樹(shù)脂轉(zhuǎn)移。Bryte公司最近開(kāi)發(fā)了一系列氰酸酯樹(shù)脂基體，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)335℃，短時(shí)工作溫度達(dá)300℃，可以代替BMI和聚酰亞胺，氰酸酯樹(shù)脂已成為未來(lái)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(dǎo)彈復(fù)合材料舵面和彈體通常選用的樹(shù)脂。

耐高溫樹(shù)脂基復(fù)合材料是超聲速巡航導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)的主選材料，以BMI、PI樹(shù)脂為主。目前國(guó)內(nèi)的PI樹(shù)脂存在著性能不穩(wěn)定、工藝操作性差等諸多問(wèn)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(dǎo)彈主體結(jié)構(gòu)樹(shù)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(dǎo)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(dǎo)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(gè)輔助結(jié)構(gòu)件。德?tīng)査鸺谋Ｗo(hù)罩和級(jí)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(kāi)式太陽(yáng)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(yáng)能電池陣基板和航天飛機(jī)艙門(mén)、機(jī)械臂和壓力容器等[8，9]。

民用大飛機(jī)[10]

民用航空材料方面由于采用環(huán)氧基碳纖維增強(qiáng)材料，帶來(lái)非常明顯的性?xún)r(jià)比，歐洲空中客車(chē)公司提出更多地用輕質(zhì)高強(qiáng)材料使機(jī)身減重30%，整個(gè)飛行成本可降低40%。再如波音B777飛機(jī)上采用碳纖維增強(qiáng)工程塑料量達(dá)9.9ｔ，占結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的11％。而波音B787飛機(jī)上采用環(huán)氧樹(shù)脂基、雙馬來(lái)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(dá)機(jī)重的50％。環(huán)氧樹(shù)脂基、雙馬來(lái)酰亞胺基碳纖維復(fù)合材料主要用來(lái)制造機(jī)翼、機(jī)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(chē)領(lǐng)域

樹(shù)脂基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)高（節(jié)能），易于加工和改型，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)車(chē)、汽車(chē)制造業(yè)獲得了越來(lái)越廣泛的用途。樹(shù)脂基復(fù)合材料在機(jī)車(chē)和汽車(chē)制造業(yè)的用途，材料及制造工藝、性能見(jiàn)表[12]。

機(jī)車(chē)

機(jī)車(chē)車(chē)輛的轉(zhuǎn)向架是支承車(chē)體，保證列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性的重要部件，其構(gòu)架又是特別重要的高強(qiáng)度、高耐疲勞性能的大型承載構(gòu)件。樹(shù)脂基復(fù)合材料在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的應(yīng)用首推德國(guó)，并在世界上也是首次。早在80年代中期，德國(guó)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(tái)復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架構(gòu)架（稱(chēng)之為FVW構(gòu)架），型號(hào)為HLD-E的轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)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(gè)整體的雙H形構(gòu)架。

目前在西歐，制造鐵道車(chē)輛用的復(fù)合材料中，按纖維種類(lèi)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(shù)脂的種類(lèi)分，聚酯占35%，乙烯酸酯占22%，環(huán)氧樹(shù)脂占21%，酚醛樹(shù)脂占15%，改性的丙烯酸樹(shù)脂占4%，其他占3%。

汽車(chē)

樹(shù)脂基復(fù)合材料汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的大量使用是從1990年開(kāi)始的，它首先用在美國(guó)通用汽車(chē)公司3.3/3.8L V6轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)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(qiáng)熱固性聚酯SMC和BMC中已經(jīng)加入了顏料，所以無(wú)需涂漆。通過(guò)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(duì)制品的最終要求，減少了機(jī)加工量和修整工作量。

材料能夠滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)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(wàn)臺(tái)GM3800型發(fā)動(dòng)機(jī)上配用了超過(guò)1200萬(wàn)個(gè)樹(shù)脂基復(fù)合材料閥門(mén)罩，沒(méi)有發(fā)生過(guò)質(zhì)量問(wèn)題。

使用復(fù)合材料制作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)部件，減輕了車(chē)輛質(zhì)量，降低了零件成本，無(wú)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(dòng)機(jī)的噪聲。所以美國(guó)三大汽車(chē)公司均開(kāi)始使用，并在未來(lái)幾年有大規(guī)模生產(chǎn)的計(jì)劃。

在雷達(dá)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(yùn)載火箭的發(fā)射載荷和空間環(huán)境的驗(yàn)，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(gè)重要內(nèi)容。以碳纖維復(fù)合材料為代表的先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有密度小、比強(qiáng)度比模量高、線脹系數(shù)小及獨(dú)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(dá)罩

最早的雷達(dá)罩( 如美國(guó)的FPS-49 雷達(dá)天線罩、我國(guó)大部分地面和機(jī)載雷達(dá)天線罩等) 表皮材料多為玻璃纖維復(fù)合材料。隨著先進(jìn)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(dá)天線罩上的應(yīng)用也嶄露頭角，美國(guó)于20世紀(jì)80年代研制的M-161飛機(jī)的雷達(dá)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(dá)罩用樹(shù)脂系統(tǒng)有氰酸酯、聚酰亞胺、雙馬來(lái)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(diǎn)，尤其是氰酸酯樹(shù)脂的介電性能具有明顯的寬帶特性，適于制造高性能雷達(dá)罩，美國(guó)的F-22戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)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(shí)例。早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)海盜號(hào)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(lái)國(guó)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(duì)。如某研究所于20世紀(jì)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?jī)H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(dá)到低副瓣天線水平，提高了雷達(dá)性能，已用于直升機(jī)反潛搜索雷達(dá)。當(dāng)前，國(guó)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(dǎo)制造也是先進(jìn)復(fù)合材料的一大應(yīng)用方向。20 世紀(jì)80 年代末，國(guó)內(nèi)電子某所就研制了碳纖維復(fù)合材料戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)饋源( 八孔喇叭) ，其重量?jī)H為0.88kg，而相應(yīng)的銅質(zhì)饋源重量為4.04kg。21世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)某研究所開(kāi)始研制車(chē)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(dāng)，而重量卻減輕了一半，經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益明顯。

對(duì)于波導(dǎo)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(guò)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(guó)外復(fù)合材料微波器件制造已達(dá)到相當(dāng)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(jī)載雷達(dá)，較金屬天線減重30% 左右。國(guó)內(nèi)對(duì)3cm的長(zhǎng)波導(dǎo)管( 700mm長(zhǎng)，半高度波導(dǎo)) 也進(jìn)行了研制并取得了可喜成績(jī)。

結(jié)構(gòu)件

結(jié)構(gòu)件是先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用的一個(gè)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(yùn)輸行業(yè)，先進(jìn)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(dá)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(lèi)框架、顯控臺(tái)、背架等，其主要作用就是在保證剛強(qiáng)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(dá)必不可少的重要原材料，從接收、發(fā)射到信號(hào)處理，無(wú)一不需要基板材料制造印刷線路。為此，國(guó)外研制開(kāi)發(fā)了多種高性能樹(shù)脂和增強(qiáng)材料。樹(shù)脂主要有耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺改性三嗪樹(shù)脂、聚苯醚樹(shù)脂、聚四氟樹(shù)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(qiáng)材料方面，通過(guò)改進(jìn)玻璃纖維布中的玻璃成份，改進(jìn)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(qiáng)材料，來(lái)提高基板的各項(xiàng)性能。美國(guó)杜邦公司開(kāi)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(guó)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(shù)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(zhēng)中出現(xiàn)的一種以出奇制勝、提高突防能力、自我保護(hù)及自我生存能力為目的的高新技術(shù)。先進(jìn)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(shí)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(shì)，先進(jìn)隱身飛機(jī)、艦船、導(dǎo)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(guó)B-2 轟炸機(jī)大量采用了隱身復(fù)合材料，其大型機(jī)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(duì)接縫隙和鉚釘引起的雷達(dá)波散射。F-22隱身飛機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)到整機(jī)重量的26%，其中雷達(dá)罩、機(jī)翼前后緣、平尾、后機(jī)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(yǔ)