浅谈基于复合材料的结构外壳在实际中的应用

欧阳健为

摘 要：高分子复合材料自从上世纪中叶问世以来，以其结构强度高、弹性模量大、可塑性强、耐疲劳性和耐腐蚀性好等特点，在各领域的结构外壳设计中被广泛采用。本文通过探讨基于复合材料的结构外壳在各领域中的具体应用场景，进而分析其应具有功能特性并总结当前所遇到的各种问题，为以后的复合材料设计研究和应用提供参考。

关键词：复合材料;结构外壳;航空航天;外形设计

随着科技的快速发展，传统的金属和非金属材料已经远远不能满足当前外壳结构设计的需要，因而各种新型复合材料不断出现，并被广泛应用在航空航天、汽车、船舶等领域的结构外壳设计中。由于复合材料具有广阔的市场需求和应用前景，并且其各种功能均有较大的提升空间，所以对复合材料的应用进行研究具有很大的价值和意义。

一、复合材料的概述

复合材料是通过利用先进的材料制备技术，将两种或者多种具有不同化学、物理性质的材料按照一定的比例或分布进行材料融合而产生的。同时由于复合材料能够将各组分材料的性能进行互补或者关联，因此复合材料可以结合多种材料的优点，满足单个材料所不能达到的性能要求，进而达到人们的设计预期。并且复合材料能够根据结构设计要求，实现对材料的复合结构设计，从而满足功能的实用化。

二、复合材料的特性

复合材料作为一种混合物，通过人为地将各种金属或非金属材料按一定的融合方式结合在一起，拥有比传统材料更加优越的物理或化学特性。同时由于复合材料的各种特性可以根据组成成分的不同而有所区别，因而复合材料的各种特性可以进行定向改进。

（一）结构强度与弹性模量

复合材料相比较于传统的金属及其合金，能够在相同质量的情况下提供更好的结构强度以及弹性模量，并且在抗疲劳性方面也有较大的优势。因此复合材料的比强度和比模量较好，对需要支撑或需减轻自重的结构件具有重要意义。

（二）复合材料的介电特性

介电性是指物质保持电荷[1]的能力，不同于传统的金属材料在低频波通过时导电、高频波通过时绝缘的介电特性。复合材料能够在有低频波通过时，保持绝缘性;在高频波通过时，能够将高频波产生的震荡电场抵消，进而使高频波（微波）能够穿透材料。

（三）耐热及防火性能

在复合材料中，合成纤维的熔点（或软化点）通常高于2000℃，由这些纤维結合金属基质组成的复合材料在高温下具有较好的比强度和比模量。例如：用碳纤维与钛基纤维结合后，400℃时的比强度和比模量可以与室温时的参数相同;同时，由于某些复合材料（如FRP[2]）的导热系数极低，可以在瞬间抵抗超高温，因此可以用作抗烧蚀材料。

（四）复合材料的耐腐蚀性

复合材料尤其是部分纤维复合材料，具有很强的耐腐蚀性。例如，纤维增强酚醛塑料可长时间用于含氯离子的酸性介质中，可用于制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的盛装设备;同时，耐碱纤维与塑料复合，也可用于强碱性介质中。

（五）结构的可设计性

由于复合材料是通过人工合成的，因此可以在制备过程中调节复合材料的组成成分以及各成分的含量和分布，进而可以满足诸如部件的强度和刚性的性能要求。并且复合材料可以与部件一次成型，减少了部件、紧固件和接头的数量，同时大大提高了材料的利用率。

三、复合材料在结构外壳中的应用

与传统材料相比，复合材料的各个组分在性能上起着协同作用，因此具有单一材料无法比拟的优异综合性能。同时由于复合材料的可设计性较好，在制作某些复杂部件时能够避免在塑造成型后对自己结构的破坏，提高了自身的结构强度。

（一）在航空航天领域中的应用

复合材料被大量应用在航空航天领域当中，如在“天宫二号”空间站的外壳、波音747飞机的机翼和黑鹰直升机的螺旋桨等部分，都使用了大量的碳基复合材料、陶瓷基复合材料和金属基复合材料等先进复合材料来提升其结构强度，并减轻自身的质量。

（二）在汽车制造业中的应用

传统的汽车车身材料大多使用金属及其合金，尤其以薄钢板为主，不能满足人们对高速、轻量化的追求。因而部分汽车厂家开始采用纤维增强塑料（ 如FRP[3]） 来对汽车的车身结构进行设计和制造，从而达到减轻车身质量、提高汽车速度并降低油耗的目的。

（三）在船舶及潜艇中的应用

由于复合材料具有较高的结构强度，并具有较为稳定的化学性质，不会被海水所腐蚀，因而被应用在各型船舶的外壳设计中;同时因为某些复合材料如高密度碳纤维板等，具有比金属及其合金更好的硬度和强度，因而在潜艇的外壳设计中也到了大量的应用。

（四）在微波天线领域中的应用

除了在制造业中的应用，复合材料相比于传统材料，其介电性和微波穿透性要远优于金属及其合金材料;同时在结构强度和化学稳定性方面，复合材料比传统的非金属材料更有优势。

四、结语

先进的复合材料与各种传统材料相比具有更加优异的综合性能，并已被广泛地应用到社会的多个领域，推动了相关工业技术的向前发展。但我国目前关于复合材料构件的整体成型、复杂结构设计等技术相对落后。因此我国需要加大对复合材料及其相关产业的基础研发投入，并不断提高复合材料的结构效率及其可靠性，为复合材料的普及应用和深入研究提供有效的保障，促进国内相关产业的进步。

参考文献

[1] 马立敏，张嘉振，岳广全，刘建光，薛佳.复合材料在新一代大型民用飞机中的应用[J].复合材料学报，2015，32（02）：317-322.

[2] 赵欣，朱健健，李梦，刘亚飞.复合材料应用研究与产业发展建议[J].材料导报，2016，30（S1）：525-530+538.