先进复合材料在航天航空器中的应用

江洪 彭导琦

复合材料的定义是，物理或化学性质明显不同的2种或2种以上的材料，以协同作用的方式结合在一起，但由于它们没有完全融合或溶解在一起，因此在某种程度上每种材料的化学性质保留完整。因为材料之间保持独立和不同，复合材料的综合性能优于原组成材料，这类材料的特性包括：良好的耐腐蚀性、良好的力学性能、长期耐用性、轻量化、高强度和高冲击强度等。复合材料与一般材料的简单混合有本质的区别，复合化也成为了新材料的重要发展方向，复合材料也与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列为4大材料体系之一。复合材料主要组成材料分为基体材料、增强材料和界面相3部分。复合材料通常至少有两相，连续相的材料被称为基体材料，另一相为增强材料（也称“增强体”），基体材料具有支撑和保护增强材料的作用。根据基体材料的类型，复合材料大致可以分为金属基和非金属基2大类，非金属基体材料又可分为聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。目前，复合材料被广泛应用于汽车、医学、可再生能源与航空航天等领域。本文主要介绍几种复合材料在航天领域，特别是空间站中的研究进展和应用情况。

1 复合材料相关研究进展

1.1 金属基体复合材料

金属基复合材料（MMCs）是由作为连续基体的金属或合金，与可以是颗粒、短纤维、连续纤维或晶须为增强材料组成的复合材料。金属基复合材料除了与树脂基复合材料同样具有高强度、高模量外，它还具备良好的综合力学性能、导热导电性能、抗辐射性能、耐磨性能、抗疲劳性能、高温性能以及小热膨胀系数等。但是，金属基复合材料几乎总是比它们正在取代的更传统的材料更昂贵。因此，在早期的金属基复合材料研究发展和应用中，飞机部件、空间系统、航天器、军事武器和精品运动设备等高端技术的需求起到了巨大的推动作用。到目前为止，金属基复合材料一直是学术界研究的热点领域，当前的研究主要集中于新合金新体系的开发、制备方法的改进、各类性能的表征以及应用探索。

在航空航天应用中，减轻飞行器、航天器的重量至关重要，因此大部分应用于航空航天领域的金属基复合材料基本采用的是轻金属合金。近年来，铝基复合材料由于其优异的比强度、比模量、刚度以及良好的热性能和耐腐蚀性能，在航空航天结构和热管理部件中得到了广泛的应用，特别是空间站太阳能电池结构框架[1]。早期，对于硅铈铝（SiCeAl）复合材料的生产，Cui等人[2]建议使用高硅含量的铝合金，以增强集体界面中碳化铝（Al4C3）的形成，该化合物被认为是该类复合材料中最有害的反应产物。为了进一步开发铝基复合材料作为结构合金的潜力，华中科技大学的Zhang等[3]选择SiCp/2xx铝基复合材料板，研究其可焊性，结果表明激光振荡路径显著影响了SiCp/2xx Al接头的成形性能和拉伸性能；采用等幅波/连续波（CW）振荡方式制备的这一接头的抗拉强度达到192Mpa。保加利亚科学院的科学家Anna Bouzekova Penkova等人以高强度铝合金7075为基体，采用金刚石粉末纳米粒和钨纳米粒进行增强，研制了一种新型复合材料。他们将得到的复合材料在不同环境条件下存储28个月并对其结构变化进行比较，样品①放置于地球上常温保存，样品②置于国际空间站的外部，结果表明：由于外太空的环境影响，观察到的化学和结构成分的变化不能认为对所研究的材料有害[4]。但是目前金属基复合材料还是面临着制造成本高和韧性低的问题。

1.2 聚合物基复合材料

聚合物基复合材料（PMCs）由树脂基复合材料和橡胶基复合材料组成，其中树脂基复合材料根据其聚合物基体的结构又分为热固性树脂和热塑性树脂。即，聚合物基复合材料可以分为热固性树脂、热塑性树脂和橡胶3大类。热固性树脂在加热前具有一定的软化流动性，加热到一定温度时向其中加入一定的固化剂，树脂会发生固化反应，具有不溶、不熔的特点。因此，热固性树脂也具有耐热性好、刚性高等优点。常用的热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂等。热塑性树脂具有加热后软化流动，冷却后固化的特点，具有良好的抗冲击性和耐化学腐蚀性。常用的热塑性树脂包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和聚碳酸酯等。橡胶包括天然橡胶和合成橡胶2大类，是一种有弹性、不透水、不透空气的绝缘性材料。意大利航空航天中心的Stefania Cantoni等[5]科學家认为，未来航空航天结构最有希望的解决方案是在设计和类似性质的应用中，智能使用聚合物基复合材料，以减少航空航天的空间结构的总体重量，同时保持甚至提高其性能。

Li等研究学者[6]通过对我国航空航天工业中复合材料制造现状进行调查，阐述了先进复合材料制造中存在的问题，并提出了纤维增强聚合物复合材料制造技术，包括利用补偿成形过程中零件变形特性的各向异性复合材料的模具设计和真空压力微波固化技术，以保证各向异性复合材料零件在大尺寸和复杂形状的航天应用中的高精度。美国国家航天局（NASA）约翰逊太空飞行中心的R.C.Romeo等科学家[7]讨论了辐射电离及其对复制的碳/聚合物复合材料反射镜的影响，在国际空间站的MISSE 7A和MISSE 8上对6个复制的碳/聚合物复合材料反射镜进行材料实验，结果表明：在镜面形貌、反射率和光洁度方面，涂层复合材料镜面具有较好的光洁度，非涂层复合材料镜面不具有良好的光洁度。

1.3 陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料（CMCs）是以陶瓷为基体与各位纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可以是玻璃陶瓷、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷，属于技术陶瓷。技术陶瓷是用相对复杂的工艺，由高纯度的原料制成，具有较小的颗粒尺寸。其中，航空航天领域最常利用的陶瓷基体当属多晶材料和玻璃陶瓷。陶瓷基复合材料的设计是为了克服单片陶瓷的主要缺点，即脆性。因此它们被称为逆复合材料，即基体的破坏应变低于纤维的破坏应变。陶瓷基复合材料提高了传统陶瓷材料的抗拉强度和韧性，同时又保持了其轻质、高强度、耐腐蚀、耐磨性和热稳定性[1]。基于陶瓷基复合材料的基本特性，它被广泛应用于航天器（如航天飞机轨道飞行器）的防热罩、火箭发动机和导弹等。

美国国家科学研究院曾于2003年提出：到2020年，陶瓷基复合材料的密度、刚度、强度、韧性和高温能力都可能有20%～25%的提升，将其列为最优先研究的材料。它也被美国国防部列为重点发展的20项关键技术之首。Yang等[8]对陶瓷基复合材料的疲劳损伤模型进行总结，并提出一种新的疲劳损伤模型，用以表征二维编织氧化物/氧化物—陶瓷基复合材料疲劳损伤的演变过程。Lamon等[9]人对陶瓷、纤维的蠕变行为进行研究，重点论述并研究了陶瓷基复合材料的蠕变和断裂行为，陶瓷基复合材料微观结构-性能之间关系，以及影响蠕变和断裂行为的因素。而在陶瓷基复合材料中，连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（CMC/SiC）是研究最多、应用最成功的一种。日本、美国、法国和德国等国家都在相对早的时间研制出CMC/SiC复合材料，以代替高密度的金属铌作为卫星用姿控、轨控液体火箭发动机的燃烧室喷管，例如Hyper—Therm公司制造的CMC/ SiC复合材料燃烧室、法国SEP研制的CMC/SiC复合材料和德国EADS公司研制的10、20及400N等CMC/SiC陶瓷基复合材料推力室[10-12]。

2 复合材料相关应用研究和进展情况

空间站的地球轨道高度一般在240～450km，处于微重力、真高空和温度交变的空间环境，这一环境的特点主要在于大幅度的温差、近真空的环境、强太阳电磁波和宇宙射线以及原子氧等，同时存在微流星和空间碎片[13]。根据目前复合材料所展现出的良好功能特性，并结合航天器，尤其是空间站面临的客观环境的特点对航天材料的性能和功能提出的需求，将目前针对复合材料应用的研究按功能导向进行分类，大致可以分为材料及结构的减重向、防热与热控制向、耐原子氧向、提供可持续的能源向、防碎片击穿向等。

2.1 材料及结构的减重向

在性能满足工程要求的前提下，希望采用的材料具有较轻的质量，进而可以很大程度上减低航天发射任务的费用，而复合材料往往能够很好地满足高性能与轻量化的要求，因此轻量化、高强度复合材料是航空航天技术发展的关键。目前总体来看，欧美国家对复合材料利用更为成熟和全面，其航天领域复合材料应用可以达到减重25%以上。例如，连续光纤金属基复合材料的一个应用之一是哈勃太空望远镜的高增益天线吊杆，该吊杆长3.6m，是一种轻型结构，动臂由6061铝制成，并由连续碳纤维增强，与以前基于整体铝或碳—环氧复合材料的设计相比，该材料可减轻30%的质量[14]。石墨/环氧复合材料包覆压力容器因其质量轻、效率高而被考虑用于自由空间站，这些复合压力容器的质量大约是同类全金属铝压力容器的1/3。G.B.Northam等人[15]发明了用于航空航天的往复式内燃机，包括由碳—碳复合材料制造的活塞、具有活塞的气缸和活塞环，有效地减轻了内燃发动机的质量。目前，这项专利受让于NASA。混合钢复合齿轮，将钢齿与纤维增强聚合物复合材料核心结合在一起，是航空航天动力传动系统中迅速兴起的一种减重技术。M.D.Waller等人[16]制造了复合材料，包含新开发的具有多种碳纤维等级的混合层压板，采用机械和热测试以及层级有限元分析来评估这些复合材料在混合航空航天齿轮应用中的适用性，特别关注高温环氧树脂和双马来酰亚胺树脂以及由多种等级的碳纤维增强的混合层压板，这种技术能在不影响齿轮性能的情况下显著减轻质量。

2.2 防热与热控制向

在执行航天任务时，航天器可能面临着极端高温或极端低温的环境，这就要求航天器需要具有较好的热防护和热控制能力，既包括被动防热，也包括主动热控制。良好的防热特性和热控制性能对航天器材料提出相应要求。在飞机和航空航天工程中，使用玻璃和陶瓷来解决整个复杂的材料科学问题主要是因为与聚合物和耐热镍合金相比，前者具有更高的耐热性，此类材料包括现代碳玻璃陶瓷复合材料、玻璃陶瓷、反应固化和氧热涂层，St.S.Solntsev[17]提供了丰富且经过证实的证据，表明航空航天技术的发展如何取决于上述类高强度高温材料的可用性。另外，Lee[18]研究将碳纤维聚合物基复合材料的热响应考虑到航空航天电子器件热设计中，这种先进复合材料由连续高模量沥青基纤维和环氧树脂组成，通过热物理分析对上述这种先进的复合材料与传统的航天复合材料进行比较，结果发现：在复合材料基体中添加20%的氮化硼导电填料后，其导热系数在厚度方向上显著增加；碳纤维复合材料纵向导热系数为239W/（m·K），横向导热系数为1.32W/（m·K），這些数值足以满足热管板面板的设计要求，可以有效地应用于航天器上的热管板的结构应用。除复合材料本身外，复合材料成型工艺技术也会对航空航天复合材料的热物理性能产生影响，G.Casula和F.Lenzi等科学家[19]分析了2种不同的工艺技术：压缩成型工艺和“热气体辅助”纤维放置工艺对具有热塑性基体（PEEK/IM7、TPI/IM7和PPS/ IM7）的航空航天复合材料的热物理性能的影响。

2.3 耐原子氧向

原子氧是指低地球轨道（通常认为是200～700km高度）上以原子态氧存在的残余气体环境，是太阳光中紫外光线与氧分子相互作用并使其分解而形成的。大量空间飞行实验及地面模拟试验的结果表明，原子氧对航天器表面的高温氧化、高速撞击会侵蚀大部分有机材料，从而使航天器性能下降、寿命缩短。原子氧效应也被认为是低地球轨道下环境效应中最为严苛的。为应对原子氧效应，目前作为热控涂层材料广泛应用于航天器表面的有苯基硅橡胶材料、纳米黏土/环氧树脂和碳纤维/氰酸酯等树脂基复合材料。科学家们也还在研究探索是否有更高性能、高强高模、低成本的复合材料，以应对原子氧效应。Yagnamurthy和Chen等人[20]研究了紫外辐射和原子氧在国际空间站近地轨道空间下对Epon 862基环氧复合材料的侵蚀作用，在原子氧和紫外辐射条件下，发现在纳米复合材料中加入12nm与100nm的二氧化硅颗粒5%（质量分数）后，环氧树脂的侵蚀率从4.36×10-24cm3/atom降到了1.78×10-25cm3/atom，抗原子氧和紫外辐射的综合能力提高了约90%。Zhang和Yi等人[21]采用等离子体原子氧地面模拟设备产生了原子氧环境，并研究了环氧树脂材料与掺杂石墨烯的环氧树脂复合材料的原子氧效应，结果表明掺杂了0.5%（质量分数）的石墨烯后，环氧树脂复合材料的质量损失与纯环氧树脂降低了46%，原子氧腐蚀率降低了47%。

2.4 提供可持續的能源向

基于深空探测的长周期和极端的太空环境，需要开发新型高费效比能原材料，以保证深空任务不因为能源不足而中断工作。例如，六水合溴化锶（SrBr2·6H2O）就是一种很有前途的空间加热热化学储能材料。Ding和Xu等[22]学者研究采用浸渍法制备了4种SrBr2/膨胀蛭石复合材料（SrBr2/ EVMs），通过扫描电镜（SEM）和X射线能谱分析（EDX）对复合材料的微观和宏观结构特征进行了表征，并用热重分析和差示扫描量热法测试了复合材料的动态解吸行为，结果表明，SrBr2/EVM复合材料的承载能力随SrBr2溶液浓度的增加呈线性增加，具有更高的吸水量，更好的吸附性能和较好的脱附性能，这对SrBr2·6H2O热化学蓄能系统的设计和运行具有一定的指导意义。Cui和Guo等人[23]利用特殊的制备方法，采用泡沫金属骨架材料和含量为60%～95%（质量分数）的高温固液相变蓄热材料制成泡沫金属基高温相变蓄热复合材料，用于空间站太阳能发电系统及高温余热回收。

2.5 防碎片击穿向

空间碎片对航天器的危害是非常严重的，航天器随时都面临着微流星体和轨道碎片的超高速撞击，因此需要利用防护结构提高大型航天器——特别是载人航天器的空间碎片撞击防护能力。而复合材料在航天器防护系统设计中占有重要地位。一个例子是现在部署在国家空间站上的铝—耐斯特尔—凯夫拉尔防护罩（Aluminum—Nextel—Keviar orbital debris shields），杜邦公司于1972年推出凯夫拉芳纶纤维，Nextel的编织布（由3M公司制造）是由氧化铝制成的，这是一种陶瓷材料，当用作复合装甲系统的组件时，可以提供有效的冲击保护，这些材料用于设计部署在国际空间站某些模块上的多板轨道碎片屏蔽装置[24]。有中国的科学家利用五屏芳纶/环氧复合材料制成的柔性防护屏构成的空间碎片柔性防护结构进行了超高速撞击试验和撞击损伤测试分析，试验得出，五屏芳纶/环氧复合材料结构能够防住铝合金弹丸的超高速撞击[25]。D.A.Thomas[26]评估了空间站自由压力容器用石墨/环氧复合材料的长寿命评估，根据计算，石墨/环氧复合材料在50%的极限破坏强度的持续载荷下，在30年的压力破裂中幸存的概率为99.99%。Kim和Choi等科学家[27]，通过22个纯织物层保险杠试验，考察了直接固化碳、Zylon和Twaron复合材料作为超高速冲击防护前保险杠的适用性，结果表明，直接固化碳复合材料可以比纯织物层更有效地作为超高速屏蔽的缓冲器。

3 结语

结构的先进性是新型航空航天器的先进性标志之一，先进复合材料是实现结构先进性的重要物质基础和先导技术[28]。因此，复合材料的应用是目前评价航空航天器制造水平的重要标准。就应用领域而言，复合材料在航天领域的应用水平，落后于其在航空领域的应用水平。就不同区域而言，复合材料在国内的整体应用水平落后于其在国外的整体应用水平。例如世界上大型飞机的结构件中，复合材料的用量占到了40%～50%，先进直升机结构件复合材料用量甚至占到了80%以上，而空间站、人造地球卫星和探测器等航天器对复合材料的用量远远低于以上数字；而我国航空航天领域复合材料的应用总体水平，与国外相比仍有较大差距。但总体而言，我国先进复合材料工业已经发展为了一个成熟的体系。复合材料智能化研究，复合材料多功能化研究，质量轻、性能高复合材料研究仍是目前主要的研究方向。此外，复合材料制备技术（例如3D打印技术），复合材料性能无损检测技术等方向也是研究的热门所在。就复合材料的类型而言，碳纤维高性能复合材料依然是复合材料研究与应用的重点。

未来，我国应借鉴国外的相关经验，例如加强对复合材料结构、制造技术、生产工艺等方面的研究，进一步提高我国航空航天领域科技水平和制造水平。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.01.002

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