復(fù)合材料，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的用量已成為衡量軍用裝備先進(jìn)性的重要標(biāo)志。復(fù)合材料的興起豐富了現(xiàn)代材料家族。尤其是具備高強(qiáng)度、高模量、低比重碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的出現(xiàn)，使其成為各類軍民裝備重要的候選材料之一。
復(fù)合材料的分類
1.按基體材料類別，復(fù)合材料可分為金屬基、有機(jī)非金屬基與無機(jī)非金屬基，如樹脂基、鋁基、鈦基復(fù)合材料等；
2.按增強(qiáng)材料形態(tài)，復(fù)合材料可分為纖維增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)、短纖維增強(qiáng)、片狀增強(qiáng)等，如納米碳管、碳纖維復(fù)合材料等；
3.按材料功能，復(fù)合材料可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料及智能復(fù)合材料，如導(dǎo)電復(fù)合材料、光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金等。
復(fù)合材料的特性
復(fù)合材料可改善或克服單一材料的弱點(diǎn)，充分發(fā)揮各材料的優(yōu)勢，并賦予材料新的性能。可按照構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和受力要求，給出預(yù)定的分布合理的配套性能，進(jìn)行材料最佳性能設(shè)計(jì)等。具體表現(xiàn)在：
1.高比強(qiáng)度和高比模量。復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度和比模量高。如碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的比模量比鋼和鋁合金高5倍，比強(qiáng)度比鋼和鋁合金也高3倍以上。
2.耐疲勞性高。纖維復(fù)合材料，特別是樹脂基復(fù)合材料對缺口、應(yīng)力集中敏感性小，而且纖維和基體的界面可以使擴(kuò)展裂紋尖端變鈍或改變方向，即阻止了裂紋的迅速擴(kuò)展，因而疲勞強(qiáng)度較髙，碳纖維不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料疲勞極限可達(dá)其拉伸強(qiáng)度的70%~80%，而金屬材料只有40%~50%。
3.抗斷裂能力強(qiáng)。纖維復(fù)合材料中有大量獨(dú)立存在的纖維，一般每平方厘米上有幾千到幾萬根，由具有韌性的基體把它們結(jié)合成整體，當(dāng)纖維復(fù)合材料構(gòu)件由于過載或其他原因使少數(shù)纖維斷裂時(shí)，荷載就會重新分配到其他未斷裂的纖維上，使構(gòu)件不至于在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生突然破壞。
4.減振性能好。結(jié)構(gòu)的自振頻率與結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量和形狀有關(guān)，并與材料比模量的平方根成正比。若材料的自振頻率高，就可避免在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振及由此引起的早期破壞。
5.耐高溫性能好，抗蠕變能力強(qiáng)。由于纖維材料在高溫下仍能保持較高的強(qiáng)度，所以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，如碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的耐熱性比樹脂基體有明顯提高。而金屬基復(fù)合材料在耐熱性方面更顯示出其優(yōu)越性，如鋁合金的強(qiáng)度隨溫度的增加下降很快，而用石英玻璃增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，在500°C下能保持室溫強(qiáng)度的40%。碳化硅纖維、氧化鋁纖維與陶瓷復(fù)合，在空氣中能耐1200~1400°C的高溫。
6.耐腐蝕性好。很多種復(fù)合材料都能耐酸堿腐蝕，可用來制造耐強(qiáng)酸、鹽、酯和某些溶劑的化工管道、泵、閥、容器和攪拌器等設(shè)備。
7.較優(yōu)良的減摩性、耐磨性、自潤滑性。由于復(fù)合材料構(gòu)件制造工藝簡單，表現(xiàn)出良好的工藝性能，所以適合整體成型。在制造復(fù)合材料的同時(shí)，也就獲得了制件，從而減少了零部件、緊固件和接頭的數(shù)目。
復(fù)合材料在航空國防領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用
復(fù)合材料的發(fā)展對航空裝備的發(fā)展有著重要意義。飛機(jī)性能一半取決于設(shè)計(jì)，另一半取決于材料。材料的優(yōu)劣對速度、高度、航程、機(jī)動性、隱身性、服役壽命、安全可靠性、可維修性等性能起著無可置疑的重大影響。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)減重中有70%是由航空材料技術(shù)進(jìn)步貢獻(xiàn)的。使用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的飛機(jī)，在減輕飛機(jī)重量、減少燃油、減少維修成本和延長飛機(jī)使用壽命上有明顯優(yōu)勢。
1.軍用飛機(jī)：目前世界先進(jìn)軍機(jī)中復(fù)合材料用量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的20%~50%不等，主要應(yīng)用復(fù)合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、機(jī)翼、中前機(jī)身等。如果復(fù)合材料占飛機(jī)總重量的50%左右，則全機(jī)大部分結(jié)構(gòu)件由復(fù)合材料制成，如B-2隱形轟炸機(jī)。
2.民用飛機(jī)：復(fù)合材料在民機(jī)的應(yīng)用大概經(jīng)歷了4個(gè)過程。
▲第一階段，20世紀(jì)70年代中期，復(fù)合材料主要應(yīng)用于受力較小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構(gòu)件上。
▲第二階段，20世紀(jì)80年代中期，復(fù)合材料主要應(yīng)用在受力較小的升降舵、襟副翼等構(gòu)件。
▲第三階段，復(fù)合材料應(yīng)用在受力較大的垂尾、平尾等構(gòu)件上。例如波音777飛機(jī)的垂尾、平尾都采用了復(fù)合材料，復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)總重量的11%。
▲第四階段，復(fù)合材料在飛機(jī)最主要受力部件機(jī)翼、機(jī)身上得到應(yīng)用。波音787夢想飛機(jī)的復(fù)合材料用量為50%，超過了鋁、鋼、鈦等金屬材料重量的總和。
3.直升機(jī)：軍用、民用和輕型直升機(jī)均大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，直升機(jī)復(fù)合材料用量已達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的40%~60%。例如，美國武裝直升機(jī)RAH-66的復(fù)合材料使用量為50%；歐洲NH-90直升機(jī)的復(fù)合材料使用量達(dá)到80%，接近全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
4.無人機(jī)：軍用無人機(jī)對減重有著迫切的需求，因此復(fù)合材料大量應(yīng)用于無人機(jī)上。例如，美國X-45系列飛機(jī)的復(fù)合材料用量達(dá)90%以上；X-47系列飛機(jī)基本上為全復(fù)合材料飛機(jī)，“全球鷹”無人偵察機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)65%，其中機(jī)翼、尾翼、后機(jī)身、大型雷達(dá)罩等均由復(fù)合材料制成；歐洲的試驗(yàn)無人機(jī)“梭魚”、美國遠(yuǎn)程攻擊無人機(jī)“臭鼬”等的情況也基本如此。
5.航空發(fā)動機(jī)：復(fù)合材料的用量和占比也成為衡量航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)程度的一個(gè)度量。樹脂基復(fù)合材料優(yōu)異的比強(qiáng)度和比模量性能對于高推比航空發(fā)動機(jī)的減重、提高推進(jìn)效率、降低噪聲和排放以及降低成本等都具有重要意義，主要應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)的冷端部件上，工作溫度在150~200℃以下，例如渦扇發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片、導(dǎo)向葉片及其框架組件、渦扇發(fā)動機(jī)鼻錐及整流裝置等。在熱端部件上，由于高溫等特殊條件的要求，金屬基、陶瓷基及碳/碳復(fù)合材料有著重要應(yīng)用。
SiC長纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料（Ti-MMC）具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫、抗疲勞性好和蠕變性能好的優(yōu)點(diǎn)，Ti-MMC葉環(huán)代替壓氣機(jī)盤可使零部件減重70%。未來航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片和鏡子葉片、整體葉環(huán)、機(jī)匣和渦輪軸等都將采用金屬基復(fù)合材料進(jìn)行制造。陶瓷基復(fù)合材料一直是高溫材料研究的重點(diǎn)，精細(xì)陶瓷和氮化硅制造的發(fā)動機(jī)部件可以在1371℃溫度下工作，性能甚至優(yōu)于高溫合金。
6.其他國防軍工行業(yè)：高強(qiáng)度玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料可以用作多管遠(yuǎn)程火箭彈和空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)材料和耐燒蝕隔熱材料，實(shí)現(xiàn)了噴管收斂段、擴(kuò)張段和尾翼架整體化，大大減輕了武器質(zhì)量，提高戰(zhàn)術(shù)性能。碳纖維復(fù)合材料在固體火箭發(fā)動機(jī)上也得到了較好的應(yīng)用，很多導(dǎo)彈型號均采用了復(fù)合材料的固體火箭發(fā)動機(jī)。美國的戰(zhàn)略導(dǎo)彈MX導(dǎo)彈、俄羅斯戰(zhàn)略導(dǎo)彈“白楊”M導(dǎo)彈等均采用了先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)射筒。艦船復(fù)合材料技術(shù)也有迅速的發(fā)展，已基本達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用水平，簡化制造、降低成本成為當(dāng)前技術(shù)的重點(diǎn)。美國海軍裝備已經(jīng)大量應(yīng)用復(fù)合材料。英國海軍的驅(qū)逐艦也安裝了夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的綜合桅桿，具有隱身、減少天線維護(hù)等特點(diǎn)。
我國航空復(fù)合材料發(fā)展
中國從20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的研究，70年代中期研制成功了復(fù)合材料戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)氣道壁板，1985年帶有復(fù)合材料垂尾的戰(zhàn)斗機(jī)成功首飛，1995年成功研制帶有整體油箱的復(fù)合材料機(jī)翼。
目前，國內(nèi)幾乎所有在役軍機(jī)均在不同部件上采用了復(fù)合材料。目前國內(nèi)形成了以環(huán)氧、雙馬和聚酰亞胺為主要集體的復(fù)合材料體系，以熱熔預(yù)浸制造技術(shù)和熱壓罐成形技術(shù)為主的復(fù)合材料成型技術(shù)體系。我國航空樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能已經(jīng)初步滿足主承力結(jié)構(gòu)的要求，結(jié)構(gòu)－功能一體化工作尚在預(yù)研，低成本技術(shù)仍然比較薄弱。航空樹脂基復(fù)合材料在現(xiàn)役飛機(jī)上的應(yīng)用包括前機(jī)身、垂尾、平尾、副翼、方向舵、鴨翼、腹鰭、機(jī)翼隔板、各種口蓋等。在直升機(jī)上的應(yīng)用主要包括旋翼、垂尾、機(jī)身和尾槳等。
在新一代軍機(jī)上，復(fù)合材料主要應(yīng)用在機(jī)翼、鴨翼、尾翼、垂尾、中機(jī)身壁板、腹鰭、武器艙門等，用量達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的19%。大型運(yùn)輸機(jī)的復(fù)合材料用量在10%左右，主要用在垂尾、平尾、方向舵、升降舵、襟翼、副翼、蒸餾張等。新一代直升機(jī)的復(fù)合材料用量在34%左右，主要有斜梁、平尾、整流罩、蒙皮、尾梁、中機(jī)身側(cè)壁板等，部分承力結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料的使用使得復(fù)合材料的應(yīng)用規(guī)模有了本質(zhì)改變。
預(yù)計(jì)隨著相關(guān)復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)材料技術(shù)的突破，未來國產(chǎn)軍機(jī)中復(fù)合材料用量將提高到25%左右，減重效率由20%提高到30%，在機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)上更多的采用復(fù)合材料，減重的同時(shí)將充分發(fā)揮復(fù)合材料耐腐蝕、隱身、保形天線等優(yōu)勢。
文章來源：軍工會
