复合材料在航空航天领域的应用与创新

复合材料在航空航天领域的应用与创新

田献京1 ,黄永宁2

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摘要：现如今我国复合材料的技术水平经过40多年的研究和发展不断提高，使复合材料在我国航空航天领域的使用范围不断增加，同时复合材料的使用量也随着使用范围的扩大而不断增加。所以复合材料在飞机上的应用率也随之增高，使航空领域复合材料的发展遇到了更大的机遇。基于此，本文以航空航天领域为出发点，以其纺织复合材料的应用与发展趋势为主要内容，分析纺织复合材料的性能，探究航空航天领域纺织复合材料的应用优势，并对此提出相应的发展建议。

关键词：航空航天领域；纺织复合材料；建议对策；发展趋势

引言

据相关资料了解，航天飞行器的质量越轻，运载火箭的质量就会随之减轻，发射一次卫星的费用高达上千万美元，如此高昂的发射成本，使得飞行器的结构材料逐渐变轻，才能使发射成本有所减少，同时，通过使用纤维缠绕工艺来制作的环氧基固体发动机也具有耐高温耐辐射等特点[1]。所以出于对航天航空飞行安全的考虑，环氧碳纤维复合材料因为其具有较高稳定性和可靠性的特点，已经成为航空航天领域不可或缺的复合材料。

1纺织复合材料的性能

纺织复合材料在广义上是将长丝、纱线、短纤维以及织物等材料进行纺织合成的一种复合型纺织材料。而狭义上是指将通过各种纤维制作而成的各种编织物作为增强材料经过复合加工最终制作而成的一种预成型构造材料[2]。其性能特点为：一是纺织复合材料通过技术的加工创新，在厚度方面、强度方面以及模量等方面都进行了全方位的增强，并且材料的损伤容限更高，断裂韧性也更高。二是材料在使用中更加耐冲击，能够抵抗分层、开裂和疲劳等问题。三是纺织复合材料也具有优良的耐高温性能，不惧怕高温的损害。四是材料减震性能也很好，在使用过程中能够很好地减少相关设施的震动感，使用起来更加的稳定可靠。五是纺织复合材料也具有更高的可设计性，可以按照原始的加载方向增加纤维束的数量，能够依据不同的需求进行灵活的设计加工，制作出更为复杂的零部件。比如加筋壳或是开孔结构等设计加工。六是纺织复合材料也具有生产效率高、成本低的优势，具有贴合实际产品的优秀性能。七是纺织复合材料在进行预成型和复合之前，可以将机敏类的材料放置其中，更加延长材料的使用寿命，更加提高产品的质量以及安全等性能。

2航空航天领域纺织复合材料的应用优势

纺织复合材料具有较好的可设计性，可以按照加载方向进行对纤维束数的增加，按照实际需求来对形状较为复杂的航天工具零部件进行制造，并且完成对它们的组合，比如一些开孔结构的制造等。目前阶段航空工业使用的纺织复合材料中，树脂基复合材料是使用频率最高的一种复合材料，其次还有热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。热固性树脂基复合材料中含有的环氧树脂具有较好的综合性功能，它具有良好的耐湿耐热性，并且粘度较低，具有良好的工艺性。所以纺织复合材料具有较强的损伤容限和较强的韧性，耐冲击，防止开裂和分层，比较适合用来航空工业的制造工作。

航空领域中飞船返回舱是载人飞船的重要组成部分，载人飞船在大气层中的速度为7.7千米每秒，飞船表面会迅速产生较高的温度，因此飞船和返回舱的制造需要具有良好耐热性的纺织复合材料。由于酚醛树脂拥有良好的耐热性和耐腐蚀性，所以被广泛应用于航空工业中的复合材料壳体，碳纤维和酚醛复合材料也是比较重要的耐热耐腐蚀复合材料。此外，航空领域中的现代火箭也会大量使用复合材料，通过使用先进纤维缠绕的方式来制造复合材料壳体，火箭的喷管通常会使用酚醛材料来进行热防护，以此来增加火箭的使用寿命和耐热性。其次，纺织复合材料的应用还可以在航空工业制造中运用自动化的生产方式生产接近实际产品形状的制作材料，减少材料制作的加工量，提高工作效率，节省生产成本，为航空航天领域的工作提供技术支持。

3航空航天领域纺织复合材料的应用与发展建议

3.1优化材料结构

航天部门可将材料设计结构划分为两个层级，对材料的铺层角度和厚度进行优化。在第一层级中，航天部要保证层合板的铺层厚度值始终恒定，将材料结构的应变性能设定为目标函数，站在层合板的铺设厚度值层面上，设计出数学变量，以此调整优化复合材料的铺层角度。航天部应在载荷工况不超过规定范围的前提下，确定好薄板结构，运用第一层级涉及的优化方法数学公式，根据材料结构刚度的变化情况，计算出材料系统所存储的应变值，并要合理推测出应变和位移的数值。在第二层级中，航天部要以第一层级的材料结构运算结果为基础，固定好材料铺层坐标，将材料的结构质量设置为目标函数，运用第二层级的数学公式，求出材料的质量和密度，并据此合力推测出材料重量，通过计算目标函数值优化材料厚度。

3.2合理选择材料类型

首先，对于民用客机，航空部门应当选择以树脂基成分为主的碳纤维复合材料，比如大丝束碳纤维材料等。因为该材料采用是乙烯基树脂、酚醛树脂和环氧树脂等复合原料制成，质量与传统材料相比更为轻便，整体性能更高。可在结构功能和功能件双重方面提升材料的抗损伤性，且碳纤维复合材料在大多数溶剂中都不会被溶解，即使是在高温环境下也不会熔融，充分具备适应性强、耐受力高的特点，可极大延长民用飞机的使用寿命。不但可明显降低客机在飞行过程中的耗能，还能通过从整体上减少客机的重量来节约燃料费用、加强载荷的有效性，进而降低成本消耗，商业前景广阔。其次，对于军用飞机，航天部应当选择芳纶纤维复合材料，因为该材料弹性大、可在非常大的限度内被拉伸，且具有极强的耐介质性和热稳定性，能够有效避免军用飞机受到外界的冲击。此外，芳纶纤维复合材料完美融合了光谱纤维的优势，不仅重量轻便，变形程度小，强度也非常大。在相对温热的飞行环境中，芳纶纤维复合材料会表现出极强的适应能力，不仅耐高温，还能快速消散飞机起飞中所产生的热量，并形成新型光谱屏蔽材料，保护机身不受日光照射的刺激。

结论

综上所述，随着我国航空航天领域的不断发展，航空器产品也随之不断升级，所以对于航空器材使用的复合材料的要求也逐渐提高，要求复合材料能够做到轻质、耐磨损。耐腐蚀。抗氧化等标准，并且会逐渐向高性能化、低成本化、多功能化发展的方向发展。将传统复合材料的单一结构逐渐转化为结构功能一体化发展，使复合材料的功能逐渐多样化。为我国航天领域的发展和航空复合材零部件制造业的发展做出重要贡献。

参考文献：

[1]黄亿洲,王志瑾,刘格菲. 碳纤维增强复合材料在航空航天领域的应用[J]. 西安航空学院学报,2021,39(05):44-51.

[2]窦凤云. 浅谈复合材料在航空航天领域中的应用[J]. 信息记录材料,2020,21(05):18-19.

[3]李喜志,柳辉. 浅谈复合材料在航空航天领域中的应用[J]. 设备管理与维修,2020,(02):131-132.

[4]王铭辉. 碳纤维复合材料在航空航天领域的应用研究[J]. 现代商贸工业,2019,40(08):191-193.

[5]彭济华. 不同树脂体系复合材料在航空航天领域的应用[J]. 当代化工研究,2019,(02):138-140.