摘要：文章通过空客A-350XWB飞机和波音公司B-787飞机复合材料之战的实际案例，介绍了航空航天应用复合材料，特别是碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）的发展现状、特点以及航空航天复合材料结构一体化综合等新技术，并对未来发展前景进行讨论。
关键词：航空航天应用；先进复合材料；碳纤维；一体化智能结构；综述
0 引言
复合化是当代材料技术发展的重要趋势之一，而大量采用高性能复合材料是航空航天飞行器发展的重要方向。其中在民用飞机领域，应用发展非常迅速。2013 年6 月14 日，空客研制的新型超宽体A-350 XWB客机成功首飞，这是继波音的B-787“梦想”飞机之后，全球航空业界的又一个亮点。A-350 XWB 和 B-787 飞机的复合材料用量分别达到 52%和 50%，这标志着航空航天复合材料发展新的里程碑，表明新的发展时期已经拉开序幕。
在航天领域，高性能复合材料的用量也在迅速扩大，各种航天飞行器的重要结构件（如运载火箭和导弹壳体，航天飞机与宇宙飞船部件，卫星天线，天文望远镜等）正在越来越多地采用复合材料[1]。
复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异构的材料通过专门成型工艺复合而成的一种高性能的新材料体系，复合的目的是要改善材料的性能，或使材料能满足某种特殊的物理性能（如光、电、热、声、磁等）要求。复合材料按使用要求大致分为结构复合材料和功能复合材料，在航空航天领域，目前和今后20～30 年的发展主流是用于制造空天飞行器结构件的碳纤维增强树脂基复合材料（简称CFRP），在此基础上发展结构/功能一体化和智能化结构复合材料，以满足越来越先进的空天飞行器的要求[2]。
碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8μm，是20 世纪60 年代由美国首先开发并形成规模产业的一种具有全新概念的新材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维两大类，前者是用一种高分子合成纤维——聚丙烯腈纤维的原丝，或称之为前驱体（precursor），通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。由于高温碳化，使纤维中的氢、氧等元素得以排出，成为一种含碳量高于 90%的纯碳材料，而本身质量大为减小；而且由于碳化过程中对纤维进行沿轴向的预拉伸处理，使得碳分子沿轴向进行取向排列，大幅提高了碳纤维的轴向拉伸强度，成为一种轻质、高强、高模量、化学性能稳定的高性能纤维材料。
沥青基碳纤维的制备原理与聚丙烯腈基碳纤维的大致相同，沥青基碳纤维还可以继续进行石墨化处理，使碳含量超过 98%，因而具有更高的弹性模量。用它制造的复合材料，具有非常高的尺寸稳定性，例如卫星的复合材料太阳能电池板及反射天线，在太空数百摄氏度的高低温温差下，仍能保持尺寸基本不变。
CFRP 最大的优点是轻质、高强，航空航天高端应用仍是其主要发展方向，用 CFRP 制造飞机的结构件，同铝合金相比，减重效果可达 20%～40%，体现出巨大的节能效益。现在 CFRP 应用已迅速扩大到能源、交通、海洋、机械等领域。业内专家分析，未来 20～30 年，航空复合材料将迎来新的发展时期，CFRP 的大范围应用，将带来航空产业链革命性的变革，包括设计理念的创新、设计师的知识更新和设计团组的重组，航空产品供应链的战略性改变，以及对航空维修业提出前所未有的挑战[3]。
从材料技术的发展来看，有人认为，20 世纪是硅材料的世纪，而 21 世纪将是碳材料的世纪，其中碳纤维及其复合材料占有重要一席。
1 航空应用
1.1 军机应用
20 世纪 60 年代，美国首先将 CFRP 用在军机上，用于舱门、口盖、整流罩以及副翼、方向舵等受力较小或非承力部件。80 年代初，发展到垂尾、平尾等尾翼一级的次承力部件，如 F-15、F-16、F-18、幻影 2000 和幻影 4000 等均采用了复合材料尾翼，此时复合材料用量有限。到 80 年代末，美国推出的第四代战斗机 F-22、F-35JSF 上，复合材料开始应用于机翼、机身等主要的承力结构，军机结构的复合材料化进程加速，复合材料用量不断增加（见表 1），现在复合材料的用量已经占军用飞机结构质量的 20%～50%。有些飞机在发动机结构上也采用了复合材料，这些复合材料采用耐高温树脂（聚酰亚胺）制造，工作温度可达 250～350 ℃，用作发动机冷端部件，主要是在发动机的外涵道机匣、风扇静子叶片、转子叶片、包容机匣以及发动机短舱、反推力装置等部件上得到应用[2-4]。
此外，军用旋翼机的螺旋桨及机体结构也大量使用复合材料，如 V-22“鱼鹰”倾转旋翼机所用复合材料占结构质量的 40%以上，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等，共用复合材料超过 3000 kg。
欧洲最新批次的“虎”式武装直升机结构部件的复合材料用量高达 80%，接近全复材结构。相对而言，军用运输机上复合材料用量不多，如C-17占8%、C-130J 仅占2%，但空客 A400M 军用运输机上采用全复合材料机翼，复合材料用量占飞机空载时结构质量的 35%[2]。
现代战争理念的改变，使无人机倍受青睐。无人机除在情报、监视、侦察等信息化作战中的特殊作用外，还能在突防、核战、化学和生物武器战争中发挥有人军机无法替代的作用。无人机的发展方向是飞行更高、更远、更长，隐身性能更好，制造更加简便快捷，成本更低等，其中关键技术之一就是大量采用复合材料，超轻超大复合材料结构技术是提高其续航能力、生存能力、可靠性和有效载荷能力的关键[5-6]。
1.2 民机应用
全球两家航空巨头——美国波音公司和欧洲空客公司多年形成的竞争似乎愈演愈烈，其中一个重要表现就是复合材料的用量不断增加（图1）相对于军机，民机的安全可靠性要求更高。而复合材料作为一种新型结构材料，在对材料特性认识、保证工艺稳定的措施和有关试验数据尚不十分充分的情况下，其发展经历了较谨慎而又漫长的历程。复合材料在军机上的应用从起步到主结构件的应用，也就是 10 多年；而在民机上的应用从 20世纪80年代开始到大范围的应用，经历了30多年。
随着复合材料技术的深入研究和应用实践的积累，复合材料在民机结构上的应用近年来取得较大进展。复合材料的优点不仅仅是轻质，而且给设计带来创新，通过合理设计，还可提供诸如抗疲劳、抗振、耐腐蚀、耐久性和吸/透波等其他传统材料无法实现的优异功能特性，增加未来发展的潜力和空间。尤其与铝合金等传统材料相比，复合材料可明显减少使用维护要求，降低寿命周期成本，特别是当飞机进入老龄化阶段后差别更明显。同时，大部分复合材料飞机构件可以整体成型，大幅度减少零件数目和紧固件数目，从而减小结构质量，降低连接和装配成本，并有效降低总成本。
民用飞机结构复合材料的使用量上限约为60%。2011—2020 年，通用航空领域可望增加12 400 架飞机，公务机市场将新增13 600 架。新飞机上的复合材料质量占比约为54%，公务机中占68%左右。随着民机对碳纤维复合材料的需求不断增长，未来20～30 年航空复合材料将进入新的发展时期。
1.3 A-350XWB 和B-787 的复合材料之战
空客最近完成首飞的A-350XWB 超大型宽体客机，包括机身在内的复合材料用量达52%，这是对波音B-787“梦想”飞机的 50%复合材料用量的回应。
波音推出B-787，旨在挽回自20 世纪80 年代中期以来与空客竞争的失利，“出奇制胜”推出复合材料机身的方案，实现波音重振雄风的梦想。为了生产第一架全复合材料的飞机机身，波音采用了类似于 Raytheon 所应用的纤维铺设方法。
生产出一个长7m、宽约6m 的复合材料机身部件，这一构件是在一个巨大的旋转芯模上采用自动纤维铺放（Automatic Fiber Placement，AFP）技术生产出来的。芯模上预制有与长桁、大梁的外形和尺寸一致的槽，将预成型的长桁与梁（均由碳纤维预浸料铺设和加压固化而成）在缠绕前预先放在槽内，工作时芯模随心轴在设备上转动，使纤维连续地缠绕到芯模上，形成机身壳，并留出窗口位置，再将机身壳与梁、长桁一同送入热压罐固化，得到一个整体的复合材料机身段，最后卸模取出成品（图 2）[7]。
B-787 复合材料机身段不仅是世界上最大的缠绕机身部件，而且被认为是用碳纤维制造出的最大的压力容器。复合材料极高的拉伸/环向强度使它能承受更高的客舱内部压力，使得舱内的压力保持在海拔6000 英尺（1830m）高度时的气压，而不是通常的 7000～9000 英尺，乘员会感觉更加舒适。
复合材料抗腐蚀（金属机身的最大弱点是易被腐蚀），机舱内湿度可以恒定在 10%～15%（金属机身内湿度只能保持在 5%～10%之间），这也同样增加了乘员的舒适度。B-787 的推出成为近几年民用航空领域最热门的话题。
复合材料影响力如此之大，迫使空客改弦易辙，彻底重新设计 A-350。新飞机改名为 A-350 XWB，XWB 意为超宽机身，并采用复合材料，使原计划40%的复合材料用量提升到 52%。A-350XWB 的机体比 B-787 还宽 13cm，在高密度下可以每排布置9 座，而 B-787 每排最多只能布置 8 座。A-350XWB也将把座舱压力设在相当于 6000 英尺的高度，采用增大的机窗和先进的机上电子娱乐系统，更体现出人性化。
民机复合材料机身可被认为是复合材料发展的一个里程碑，不仅使复合材料用量跨越式提升，而且对设计、制造和维修提出新的挑战。空客之前曾对 B-787 略有微词，提到全复合材料机身的安全问题。现在自己面对同样问题时，空客决定不套波音的老路，而是另辟蹊径，对 A-350XWB 复合材料机身提出了一个所谓“4 个蒙皮壳板”的创新概念 （ 4-shell skin panel concept for innovative fuselage），如图 3(a)所示[8]。不同于 B-787 的全复合材料机身，这种创新型的机身采用铝合金框架，然后再将上、下、左、右 4 块复合材料蒙皮壳板铆接到铝合金框架上。如图 3(b)所示，铝合金框架正放置在成型好的复合材料蒙皮壳板上。
空客认为，复合材料的蒙皮壳板可以做得很长（最大长度达19m），只用不多的铆接沿轴向就能很好地固定到铝合金框架上，同样具有显著减重效果。更重要的是，如果机身某一部位损坏，维修时只要将损坏的蒙皮壳缠绕设备，图 4(a)是成型好的复合材料上蒙皮壳体，图 4(b)是组装好的复合材料机身段。
复合材料机身技术复杂、集成度高，是航空复合材料技术最后的制高点。尽管B-787 和A-350XWB都采用了复合材料机身，但对于复合材料机身这个一直存在争议的问题，最后结果有待时日证明。复合材料在新一代民机上用量的急剧增长主要应归功于其技术的发展和成熟，如自动铺带（ATL）机、自动纤维铺放（ATL）机、树脂传递成型（RTM）和树脂膜熔渗（RFI）技术的发展，大大降低了复合材料的生产成本。20 世纪 90 年代初的复合材料结构制造成本为 1100 美元/kg，现在已降到 275～330 美元/kg。
2 航天应用
以高性能碳（石墨）纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上[9]。
2.1 卫星及空间站的结构材料和部件
高模量碳纤维质量小，刚性大，尺寸稳定性和导热性好，很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作，而空间站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。
2.2 导弹用结构材料
导弹发射筒采用先进复合材料保守估计可降低重量 30%，对于提高地面生存能力至关重要，同时，复合材料的耐环境腐蚀、耐疲劳等优点，可以显著提高发射筒的重复使用寿命，降低发射成本。
2.3 运载火箭用结构材料
美国、日本、法国的固体火箭发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，例如美国三叉戟-2 导弹、战斧式巡航导弹、大力神-4 火箭、法国的阿里安-2 火箭改型、日本的 M-5 火箭等的发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为5.3 GPa 的 IM-7 碳纤维，性能最高的是东丽T-800纤维，抗拉强度5.65GPa、杨氏模量300GPa。
2.4 功能复合材料
功能材料在航天领域的应用更为广泛，其中最重要的是返回式航天器的表面热防护功能材料。航天飞行器（导弹、火箭、飞船、航天飞机等）以高超声速往返大气层时，在气动加热下，其表面温度高达 4000～8000 ℃；固体和液体火箭发动机工作时，燃烧室产生的高速气流冲刷喷管，烧蚀最苛刻的喉衬部位温度瞬间可超过 3000 ℃。因此必须采取有效的热防护措施，以保护内部结构在一定温度范围内正常工作。目前主要的方法是通过表面材料的自身烧蚀引起质量损失，吸收并带走大量的热量，阻止外部热量向结构内部传递。所用材料包括碳-碳复合材料、耐烧蚀纤维陶瓷隔热材料，而梯铝合金 框架 复合材料蒙皮壳板 度功能复合材料是新近研发的一种热防护材料，成为倍受关注的研究热点[10]。
与均匀功能复合材料不同，梯度功能复合材料的主要特征一是材料的组分和结构呈连续梯度变化；二是材料内部没有明显的界面；三是材料的性质也相应呈连续梯度变化（图 5）。
梯度功能复合材料的设计思想是高温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料，以适应几千摄氏度高温气体的环境。低温侧壁使用导热和强度好的金属材料，与飞行器表面连接。由于该材料内部不存在明显的界面，陶瓷和金属的组分呈连续变化，物性参数也呈连续变化。材料从陶瓷过渡到金属的过程中，其耐热性逐渐降低，机械强度逐渐升高，热应力在材料两端均很小，可有效地保护飞行器表面[10]。
3 航空航天复合材料未来发展
3.1 材料新技术
3.1.1 碳纤维
碳纤维是复合材料中的重要组分材料，分宇航级和工业级，其中宇航级是重要的战略物资。其发展特点总的来说是高性能化和多元化。高强度是碳纤维不断追求的目标之一，以国际上最大的 PAN基碳纤维供应商日本东丽（Toray）为例，自 1971年 T300（强度 3535MPa）进入市场以来，碳纤维的拉伸强度得到很大提高，经过了 T700 和 T800 到T1000 三个阶段，T1000 的拉伸强度已达 6370 MPa，T800 是目前民机复合材料生产的主流纤维。
根据不同的使用要求，发展相应的产品。如东丽碳纤维目前分三大类：
1）高拉伸强度（HT）纤维，具有相对较低的杨氏模量（200～280 GPa）。
2）中模（IM）纤维，杨氏模量 300 GPa。
3）高模（HM）纤维，杨氏模量超过 350 GPa。碳纤维另一个重要发展特点是大丝束产品。大丝束是碳纤维产品多元化的一个重要方面，主要目的是加快纤维铺放速率，从而提高复合材料生产效率，降低制造成本。这方面的研究内容主要是制取廉价原丝技术（包括大丝束化、化学改性、用其他纤维材料取代聚丙烯腈纤维）、等离子预氧化技术、微波碳化和石墨化技术等。
碳纤维按用途大致可分 24 K 以下的宇航级小丝束碳纤维（1K 的含义为一条碳纤维丝束含 1000根单丝）和 48 K 以上的工业级大丝束碳纤维。目前小丝束碳纤维基本为日本 Toray（东丽）、Tenax（东邦）与 Mitsubishi Rayon（三菱人造丝）所垄断。而大丝束碳纤维主要生产国是美国、德国与日本，产量大约是小丝束碳纤维的 33%左右，最大支数发展到 480K。工业级大丝束碳纤维可有效降低复合材料成本，但随之带来的是树脂浸润不够充分和均匀性方面的问题[11-12]。
3.1.2 基体
基体是复合材料另一个主要组分材料，包括金属基体、陶瓷基体和树脂基体，主流是树脂基体。目前作为轻质高效结构材料应用的高性能树脂基体主要有三大类，即：150 ℃以下长期使用的环氧树脂基体，150～220 ℃长期使用的双马来酰亚胺树脂基体，250 ℃以上使用的聚酰亚胺树脂基体[12]。
环氧基体用量最多，具有综合性能优异、工艺性好、价格低等诸多优点，在马赫数小于1.5 的军机和民机上得到广泛应用。双马基体主要用在马赫数大于等于1.5 的高性能战斗机上。聚酰亚胺基体主要用于发动机叶片和冷端部件。
环氧基体由于固化后的分子交联密度高、内应力大，存在质脆、耐疲劳性差、抗冲击韧性差等缺点。对于航空结构复合材料，环氧树脂的增韧改性一直是重要的研究课题，双马基体也有类似问题。几十年来，增韧改性技术取得长足发展，包括橡胶弹性体增韧、热致液晶聚合物增韧、热塑性树脂互穿网络增韧以及纳米粒子增韧等[12]，新的品种不断得到开发，使用经验在不断积累，环氧复合材料技术上已趋成熟。
在增强纤维选定之后，树脂基体就成了复合材料性能、成本的决定因素，因此高性能、低成本、可回收再用、环境友好型的树脂基体，是复合材料技术未来发展的长期研究课题。
3.2 制造新技术
制造新技术体现生产条件改进和综合配套能力的协调发展。先进高效的低成本成型新技术包括树脂传递成型（resin transfer molding，RTM）结合2D 或3D 纤维编织预型体技术，以及缠绕、拉挤、注塑等多种先进技术。而近年发展起来的 AFP 和ATL 技术得到广泛的应用，成为现代先进大型飞机复合材料部件制造的重要技术。这两种技术的优点在于能制造大型整体部件，大量节约工时，降低制造成本。同时大量减少废料率[2,12]。图 6 是用 AFP技术制造 A-350 复合材料前机身段，图 7 是用 ATL技术制造 A-350XWB 复合材料机翼蒙皮。
3.3 复合材料结构一体化综合技术
复合材料结构一体化综合技术包括多功能化、功能/结构一体化、智能化，满足高性能飞行器的需要，其研究和应用涉及设计、材料、制造、测试、验证、使用和维护等诸多专业技术领域，具有跨学科、跨行业的特点。
有代表性的结构/功能一体化的复合材料是结构隐身复合材料（stealthy structural composites），它既能隐身又能承载，可成型各种形状复杂的部件，如机翼、尾翼、进气道等，具有涂覆材料无可比拟的优点，是当代隐身材料主要发展方向。各种隐身方式的有机结合，使得飞机达到综合隐身状态。如F-22 采用翼身融合体隐身外形，在机身内外金属件上全部采用吸波材料及吸波涂层，同时在机翼及进气道等腔体内侧采用吸波结构和吸波材料。隐身复合材料对于导弹等武器装备同样具有重要意义[13]。
智能复合材料（intelligent composite），有时也称机敏复合材料（smart composite）是一类基于仿生学概念发展起来的高新技术材料，它是在复合材料多功能化的基础上，为适应高性能飞机越来越高的飞行速度，于 20 世纪 90 年代开始研发的新型复合材料。智能复合材料是将复合材料技术与现代传感技术、信息处理技术和功能驱动技术集成于一体，将感知单元（传感器）、信息处理单元（微处理机）与执行单元（功能驱动器）联成一个回路，通过埋置在复合材料内部不同部位的传感器感知内外环境和受力状态的变化，并将感知到的变化信号通过微处理机进行处理并作出判断，向执行单元发出指令信号，而功能驱动器可根据指令信号的性质和大小进行相应的调节，使构件适应这些变化。整个过程完全是自动化的，从而实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种特殊功能[14]。
智能复合材料是高技术的综合，其发展将全面提高材料的设计以及应用水平。实现复合材料的智能化将显著降低工艺成本，提高飞行器服役可靠性与使用效率，拓展复合材料的应用范围。但由于涉及学科多、综合性强、技术条件要求高，在航空航天智能复合材料结构方面，大规模应用还需要加强基础性研究。
3.4 新型热塑性复合材料研究和应用
以连续纤维或长纤维增强的高性能热塑性复合材料（采用 PEEK、PES、PPS 等高性能热塑性基体材料），既具有热固性复合材料那样良好的综合力学性能，又在材料韧性、耐腐蚀性、耐磨性及耐温性方面有明显的优势，而在工艺上还具有良好的二次或多次成型和易于回收的特性，有利于资源充分利用和减少环境压力，具有良好的发展和应用前景。重视发展热塑性复合材料，是先进树脂基复合材料今后发展的一个重要方面，目前主要在民机上应用开发。空客在这方面处于领先位置，已从次承力结构件向主承力结构件发展，如空客 A-380就采用了玻璃纤维增强的 PPS 热塑性复合材料制造机翼前沿[15]。
3.5 环境问题已引起重视
碳纤维制品多用于特殊领域，其使用寿命和更新周期均有严格要求，大量废弃的碳纤维产品所导致的二次污染问题亟待处理。据日本三菱人造丝公司估计，目前全球废弃的碳纤维增强塑料大约为1 万吨，2015 年可达 2 万吨。随着碳纤维生产能力的扩大及增强材料的大量使用，“环境友好”要求企业重视碳纤维的回收利用。德国 Thudngian（TITK）研究所、英国诺丁汉大学等采用化学和热解处理技术开发了碳纤维-环氧树脂复合材料回收再利用的新途径，其回收产品可用于一般的碳纤维增强塑料。波音公司、日本东丽公司、帝人公司等都已制定相关计划，研究从飞机和其他设备中回收和循环利用使用过的碳纤维[16]。
4 结束语
21 世纪航空航天将进入新的发展时期，高水平或超高水平的航空航天活动将更加频繁，民用航空市场将迅速扩大，这将有力地带动航空航天材料特别是复合材料的发展。半个多世纪以来，复合材料技术已趋成熟，经验在不断积累。由于复合材料具有轻质、高强、性能可剪裁等诸多优点，在航空航天领域仍具有持续发展的潜力。美国科学院在2003 年《面向 21 世纪国防需求的材料》研究报告中指出，在未来 20～30 年中，唯一能使飞行器性能提升 20%～25%的只有复合材料。
当前和今后一段较长的时期内，航空航天复合材料的发展将呈现以下特点：
1）需求将持续上升，其中通用航空将成为复合材料的主要市场，以 B-787/A-380/A-350XWB 为代表的新机种对碳纤维复合材料的需求将大幅增长。在未来的 10 年间，通用飞机可望增加 12 400 架左右，新飞机的复合材料质量占比最高可达 54%，航空复合材料将进入新的发展时期。
2）技术不断进步，新技术不断得到开发利用。以低成本为主导的理念对相关技术的创新将产生巨大推动，包括纤维和基体在内的新材料技术、高效自动化整体构件成型技术（AFP 和 ATL）、数字化成型技术等，各种型号、规格的自动化成型设备不断得到研发，大幅提高生产效率和降低成本。
3）为满足高性能航空航天器的发展，新概念的复合材料技术将不断得到研发，如纳米复合材料技术、高功能和多功能、结构/功能一体化、智能化结构等，将成为复合材料的重要研究内容。
4）可持续发展将倍受重视。如碳纤维复合材料的回收和再利用、新型绿色复合材料的开发和应用等，将会加快研究进程，取得实质性进展。
参考文献略
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