中國航空復合材料行業市場規模及未來發展趨勢

 

作為當今全球航空航天技術發展的重要組成部分，航空復合材料具有輕質、高強度、高性能等優點，在航空航天領域得到了廣泛應用。近年來，中國航空復合材料行業市場規模穩步擴大，并有望在未來幾年實現高速發展。

根據市場調研在線網發布的2023-2029年中國航空復合材料行業競爭格局分析及發展趨勢預測報告分析，2019年中國航空復合材料市場規模約為130億元左右，同比增長約7.3%。同時，預計到2024年，中國航空復合材料市場規模將達到200億元左右，同比增長率約為6.2%。

 

中國航空復合材料行業發展前景看好，未來幾年仍將保持高速增長態勢。一方面，我國航空業正在加快發展，需求量不斷增加，這將促進航空復合材料行業的發展;另一方面，我國政府支持航空復合材料行業的發展，各級政府給予了關注和支持，將為航空復合材料行業的發展提供更多政策支持。

 

此外，航空復合材料行業也將受到其它行業的影響。如汽車、電子、建筑等行業也在大力采用航空復合材料，這將帶來較大的市場機會。

 

因此，未來幾年，中國航空復合材料行業有望繼續保持高速發展態勢，市場規模有望達到200億元以上，總體上將實現良好的發展。

 

航空航天先進復合材料研究

 

復合材料與金屬、高聚物、陶瓷并稱為四大材料。今天，一個國家或地區的復合材料工業水平，已成為衡量其科技與經濟實力標志之一。先進復合材料是國家安全和國民經濟具有競爭優勢的源泉。在此其中，環氧樹脂是優良的反應固化型性樹脂。在纖維增強復合材料領域中，環氧樹脂大顯身手。它與高性能纖維PAN基碳纖維、S或E玻璃纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、玄武巖纖維復合，便成為不可替代的重要的基體材料和結構材料，廣泛運用在電子電力、航天航空、運動器材、建筑補強、壓力管道、化工防腐等六個領域。本文重點論述航空航天先進樹脂基復合材料的國內外現狀及中國正在研究的問題與方向。

復合材料使用的增強纖維

 

復合材料所用各種纖維材料性能比較見表1。對一些材料的性能進行了比較。由表1可見，僅玻璃纖維就比金屬材料的比強度、比模量分別提高了540%和31%，碳纖維的提高則更為顯著。據文獻報道，由鍵能和鍵密度計算得出的單晶石墨理論強度高達150GPa。因此碳纖維的進一步開發潛力是十分巨大的。日本東麗公司的近期目標是使碳纖維抗拉強度達到8.5GPa、模量730GPa。毋庸置言，碳纖維仍將是今后固體火箭發動機殼體和噴管的主要材料。

 

開發碳纖維復合材料的其他應用大有作為，如飛機及高速列車剎車系統、民用飛機及汽車復合材料結構件、高性能碳纖維軸承、風力發電機大型葉片、體育運動器材(如滑雪板、球拍、漁桿)等。隨著碳纖維生產規模的擴大和生產成本的逐步下降，在增強混凝土、新型取暖裝置、新型電極材料乃至日常生活用品中的應用也必將迅速擴大。我國為配合北京奧運會,擬大力開發新型CFRP建材及與環保，日用消費品相關的高科技CFRP新市場。

 

碳纖維是一種高強度、高模量材料，理論上大多數有機纖維都可被制成碳纖維，實際用作碳纖維原料的有機纖維主要有三種：粘膠纖維、瀝青纖維、聚丙烯腈纖維。當前固體火箭發動機結構件用的碳纖維大多由聚丙烯腈纖維制成。

航空航天用樹脂基復合材料

 

據有關資料報導，航天飛行器的質量每減少1千克，就可使運載火箭減輕500千克，而一次衛星發射費用達幾千萬美元。高成本的因素，使得結構材料質輕，高性能顯得尤為重要。利用纖維纏繞工藝制造的環氧基固體發動機罩耐腐蝕、耐高溫、耐輻射，而且密度小、剛性好、強度高、尺寸穩定。再如導彈彈頭和衛星整流罩、宇宙飛船的防熱材料、太陽能電池陣基板都采用了環氧基及環氧酚醛基纖維增強材料來制造。出于航天航空飛行及其安全的考慮所需，作為結構材料應具有輕質高強、高可靠性和穩定性，環氧碳纖維復合材料成為不可缺少的材料。

 

高性能環氧復合材料采用的增強材料主要是碳纖維(CF)以及CF和芳綸纖維(K-49)或高強玻璃纖維(S-GF)的混雜纖維。所用基體材料環氧樹脂約占高性能復合材料樹脂用量的90%左右。高性能復合材料成型工藝多采用單向預浸料干法鋪層，熱壓罐固化成型。高性能環氧復合材料已廣泛應用在各種飛機上。以美國為例，20世紀60年代就開始應用硼/環氧復合材料作飛機蒙皮、操作面等。由于硼纖維造價太貴，70年代轉向碳/環氧復合材料，并得到快速發展。大致可分為三個階段。第一階段應用于受力不大的構件，如各類操縱面、舵面、擾流片、副翼、口蓋、阻力板、起落架艙門、發動機罩等次結構上。第二階段應用于承力大的結構件上，如安定面、全動平尾和主受力結構機翼等。第三階段應用于復雜受力結構，如機身、中央翼盒等。一般可減重20%～30%。目前軍機上復合材料用量已達結構重量的25%左右，占到機體表面積的80%。高性能環氧復合材料在國外軍機和民機上的應用實例較多。

 

我國于1978年首次將碳-玻/環氧復合材料用于強-5型飛機的進氣道側壁。據有關會專家介紹，20世紀80年代在多種軍機上成功地將C/EP用作垂直安定面、舵面、全動平尾和機翼受力盒段壁板等主結構件。

 

宇航工業中除燒蝕復合材料外，高性能復合材料應用也很廣泛。如三叉戟導彈儀器艙錐體采用C/EP后減重25%～30%，省工50%左右。還用作儀器支架及三叉戟導彈上的陀螺支架、彈射筒支承環，彈射滾柱支架、慣性裝置內支架和電池支架等55個輔助結構件。由于減重，使射程增加342km。德爾塔火箭的保護罩和級間段亦由C/EP制造。美國衛星和飛行器上的天線、天線支架、太陽能電池框架和微波濾波器等均采用C/EP定型生產。國際通訊衛星V上采用C/EP制作天線支撐結構和大型空間結構。宇航器“空中旅行者”的高增益天線次反射器和蜂窩夾層結構的內外蒙皮采用了K-49/EP。航天飛機用Nomex蜂窩C/EP復合材料制成大艙門，C/EP尾艙結構壁板等。

 

航空航天國內外發展現狀及趨勢

 

航天高新技術對航天先進復合材料的要求越來越高，促使先進復合材料向幾個方向發展：①、高性能化，包括原材料高性能化和制品高性能化。如用于航空航天產品的碳纖維由前幾年普遍使用的T300已發展到T700、T800甚至T1000。而一般環氧樹脂也逐步被韌性更好的、耐溫更高的增韌環氧樹脂、雙馬樹脂和聚酰亞胺樹脂等取代；對復合材料制品也提出了輕質、耐磨損、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、抗氧化等要求。②、低成本化，低成本生產技術包括原材料、復合工藝和質量控制等各個方面。③、多功能化，航天先進復合材料正由單純結構型逐步實現結構與功能一體化，即向多功能化方向發展。

 

碳纖維增強復合材料(CFRP)是目前最先進的復合材料之一。它以其輕質高強、耐高溫、抗腐蝕、熱力學性能優良等特點，廣泛用作結構材料及耐高溫抗燒蝕材料,是其它纖維增強復合材料所無法比擬的。

 

環氧樹脂由于力學、熱學性能優異，電氣性能優良，耐化學介質性、耐候性好及工藝性優良等優點，數十年來一直是固體火箭發動機復合材料樹脂基體的主體，預計今后相當長時間內仍將如此。環氧樹脂的缺點是耐沖擊損傷能力差，耐熱性較低(<170℃)，在濕熱環境下力學性能下降明顯。這些年來環氧樹脂的發展經歷了剛性環氧→柔性環氧→剛性環氧的過程。但居主導地位的一直是剛性雙酚A二縮水甘油醚型環氧樹脂。如美國“三叉戟-1”、“三叉戟-2”導彈以及“飛馬座”火箭采用的HBRF-55A配方以E-PON826為主。多年來各國都在通過加入柔性單元改進環氧樹脂的韌性，通過加入新型剛性鏈單元結構或使用芴型芳香胺固化劑來提高耐熱性，并分別取得了預期的效果。

 

耐高溫結構復合材料用的新型熱固性樹脂一般指芳雜環高聚物,如聚酰亞胺、聚苯砜等，它們的耐熱性比改性環氧和多官能團環氧更高，其中聚酰亞胺是目前耐熱性最好、已實現工業化生產的重要品種。聚酰亞胺中的雙馬來酰亞胺(BMI)既具有聚酰亞胺耐高溫、耐濕熱、耐輻射的特點，又有類似于環氧樹脂較易加工的優點。但缺點是熔點高、溶解性差、脆性大，如HexcelF650是成熟的第二代BMI樹脂。在非常潮濕的情況下，最高連續使用溫度為204.4℃，采用HexcelF650基復合材料的導彈經噴氣式戰斗機超聲速沖刺后，能承受比預料更嚴酷的熱環境。如能應用于固體發動機殼體，對其綜合性能的提高十分有利。目前的主要問題是BMI的固化溫度(約300℃)和固化壓強(約1.5MPa)均比較高，使纏繞型組合芯模和殼體內絕熱層難以承受。

 

氰酸酯樹脂(CE)是二十世紀八十年代開發的一類新型樹脂。主要用途有：高性能印刷電路板、高性能透波結構材料(如雷達罩)、航空航天用高韌性結構復合材料。最早應用于宇航領域的商品化氰酸酯基復合材料為美國Narmco公司的R-5254C，它是碳纖維增強的CE與其它樹脂的混合物。隨后,一些供應CE基復合材料預浸料的公司，在CE中加入玻璃化溫度高于170℃的非晶態熱塑性樹脂如聚碳酸酯(PC)、聚砜(PS)、聚醚砜(PES)等，使CE保持優良耐濕熱性能介電性能同時，沖擊后壓縮強度(CAI)值達到240~320MPa，其使用溫度與改性后的PI、BMI相當。如Ciba-geigy生產的ArocyL-10和RTX366的熔融物粘度極小，只有0.1Pa·s，特別適用于纖維速浸法制預浸料，在SRM研制中有著廣闊的應用前景。“YLA公司”使用XU71787-07試制成碳纖維增強預浸料，經質量評估認為可制作衛星天線。

 

液晶聚合物是熱塑性樹脂中較為獨特和優異的一類，目前主要有芳族均聚酯和共聚酯。它們是一種自增強材料，高分子主鏈是由剛性或半剛性鏈段和柔性鏈段通過分子裁剪設計而成，在熔融狀態呈液晶態，在冷卻過程中這種有序性保留，使材料獲得優異的力學性能。典型牌號有美國的Vectra樹脂,Ekond樹脂等。液晶聚合物既可以單獨成型(如美國在1990年研制了所有結構部件均由液晶聚合物制作的固體火箭發動機)，也可以作為復合材料的樹脂基體。通過注塑、模壓、擠壓成型、或制成帶狀、薄膜狀材料纏繞成型發動機殼體。

 

國內外噴管用樹脂基防熱材料的發展經歷大致相同，從玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛到碳/酚醛、碳/聚芳基乙炔，從單功能到多功能、低性能到高性能，樹脂體系經歷了從酚醛樹脂、改性酚醛樹脂到高性能樹脂。目前對聚苯并咪唑、聚喹口惡啉、聚苯并唑、聚苯并噻唑、聚芳基乙炔等高性能樹脂的應用研究已成為熱點,是樹脂基防熱材料發展的方向。由于碳/酚醛復合材料具有生產周期短、制造成本低、性能適中等特點，是目前固體發動機噴管燒蝕防熱材料中廣泛使用的材料之一，主要用在如噴管擴張段一類受熱流強度較低的部件上；又因其價格低廉，甚至在美國航天飛機助推器的噴管喉襯上也使用碳/酚醛材料。國外典型的碳/酚醛材料有FM5055、MX4957A等牌號，所用酚醛樹脂多以Ba(OH)2、NH4OH等為催化劑合成。酚醛樹酯雖耐燒蝕性優良，但重現性不好，燒蝕可預示性差。

 

酚醛樹脂典型的改性途徑有共聚改性，包括引進氰基、硼元素、芳環有機硅，以及采用二苯醚甲醛樹脂、芳烷基甲醛樹脂改性等；如氰基酚醛樹脂的熱氧化穩定性明顯提高，分解溫度達440℃，1000℃下的產炭率達68%~70%。為了使酚醛樹樹脂獲得更高性能，我國廣大科技工作者在酚醛樹脂改性方面做了大量的研究工作，相繼開發了硼酚醛、鉬酚醛、高成碳酚醛等新型酚醛樹脂。

 

聚芳基乙炔(PAA)是一種最有可能取代酚醛樹脂作為燒蝕防熱材料基體的樹脂。它是一種僅含碳元素和氫元素的高度交聯的芳族亞苯基聚合物，由二乙炔基苯和苯乙炔聚合而成。理論成炭率高達90%；聚合時無低分子副產物逸出；樹脂吸水率極低，僅為0.1%~0.2%，遠遠低于酚醛樹脂的5%~10%。

 

PAA最主要的優點是玻璃化溫度極高，燒蝕重現性好，高溫力學性能保持率高。美國宇航公司用T300和PAA制作的復合材料試件。室溫下層間拉伸強度為5.3MPa，400℃時降為1.4MPa；標準碳/酚醛(FM5055)制作的室溫層間拉伸強度僅為4.2MPa；260e時已下降到0.3MPa[1]。我國華東理工大學已能制備出應用于航天領域的耐燒蝕PAA樹脂，樹脂成碳率達85%。航天四院43所進行了聚芳基乙炔樹脂成碳率、復合工藝性能、力學性能等方面的探索性研究，試驗表明，碳/聚芳基乙炔復合材料成碳率、耐燒蝕性能遠遠優于迄今已應用的碳/酚醛復合材料。目前存在的主要問題是PAA的多苯環結構所引起基體性脆以及PAA與碳布浸潤性差帶來的復合材料層間力學性能不佳。

 

碳纖維復合材料因其較高的比強度、比模量在國外先進戰略、戰術固體火箭發動機方面應用較多，新型陸基機動固體洲際導彈一、二、三級發動機殼體、新一代中程地地戰術導彈發動機殼體。如美國“侏儒”小型地對地洲際彈道導彈三級發動機燃燒室殼體由IM-7碳纖維/HBRF-55A環氧樹脂纏繞制作,殼體容器特性系數PV/W≥39KM；三叉戟(D5)第一、二級固體發動機殼體采用碳/環氧制作,其性能較凱芙拉/環氧提高30%[17～20];“愛國者”導彈及其改進型,其發動機殼體開始采用D6AC鋼,到/PAC-30導彈發動機上已經采用了T800纖維/環氧復合材料;此外,由美國陸軍負責開發的一種新型超高速導彈系統中的小型動能導彈(CKEM),其殼體采用了T1000碳纖維/環氧復合材料,使發動機的質量比達到0.82。美國的戰略導彈“侏儒”三級發動機殼體，“三叉戟”一、二、三級發動機殼體的復合材料裙，民兵系列發動機的噴管擴張段，部分固體發動機及高速戰術導彈，例如美國的THAAD、ERINT等。從二十世紀六十年代末開始，航天領域中以S玻纖和Kevlar-49纖維復合的金屬內襯輕質壓力容器逐漸取代傳統的全金屬壓力容器。美國在1975年開始了輕質復合材料氣瓶及儲箱研制，采用S-玻纖/環氧、Kevlar/環BADCy/E-51/線性酚醛樹脂氧纏繞復合材料。隨著碳纖維性能提高及成本大幅度下降，碳纖維與低成本鋁內襯制造技術相結合，使得費用低、質量輕、性能高、可靠性好的高壓容器的生產成為現實。表2是美國SCI(Structural Composites Industries)生產的兩種金屬內襯碳纖維纏繞壓力容器材料及性能比較情況。由表2看出,目前空間用復合材料基體主要采用環氧樹脂。

 

此外，國外以復合材料取代金屬制造空間飛行器(衛星、空間站、航天飛機等)構件目前已取得一定程度的應用。表3是國外復合材料在空間飛行器上的一些應用情況[18~20]。

 

由于碳纖維的密度、耐熱性、剛性等方面的優勢，增強纖維以碳纖維為主。碳纖維復合材料在空間技術上的應用，國內也有成功范例，如我國的第一顆實用通信衛星應用了碳纖維/環氧復合材料拋物面天線系統；第一顆太陽同步軌道“風云一號”氣象衛星采用了多折疊式碳纖維復合材料剛性太陽電池陣結構等。

隨著航空航天工業的迅速發展，對材料的要求也日益苛刻，一個國家新材料的研制與應用水平，在很大程度上體現了一個國家的國防和科研水平，因此許多國家都把新材料的研制與應用放在科研工作的重要地位。

 

為了適應航空航天領域日益苛刻的要求，通用環氧樹脂已不能滿足要求，世界各國都在致力于開發各種高性能環氧樹脂，以便于開發同高性能增強材料（如芳綸、碳纖維等）相匹配的樹脂體系。

 

但總結起來，大都是在保證環氧樹脂優異的工藝性的前提下，實現環氧樹脂的多官能化，以改善其固化物的耐熱性和粘接性。比較常用的有4，4‘-二氨基二苯甲烷四縮水甘油胺（TGDDM），鑒于性能價格比，它可能是最實用的高性能環氧樹脂。它具有優良的耐熱性，長時高溫性能和機械強度保持率，固化收縮低，化學和輻射穩定性好，還可用于高性能結構膠粘劑，結構層壓板和耐高能輻射材料，全球許多學者從事TGDDM環氧體系的研究與開發工作，并取得了較大成績。

 

特別值得指出的是，我國科技工作者經多年研究，開發了商品名為TDE-85的三官能團環氧樹脂，其化學名為4，5-環氧己烷-1，2-二甲酸二縮水甘油酯，其分子中含有兩個反應活性高的縮水甘油酯基和一個反應活性與前者差別很大的脂環環氧基。該樹脂是一種工藝性、耐熱性均很優異的高性能環氧樹脂，西北工業大學、哈爾濱玻璃鋼研究所等單位用TDE-85環氧樹脂為基體材料制作的復合材料，應用在某些有特殊需要的產品上已獲得令人滿意的結果。

以碳纖維為增強劑的先進樹脂基復合材料是航空航天工業中最重要材料之一。飛行器減重仍然是今后面臨的關鍵問題。此外，對包括飛行器在內的許多國防裝備的隱身也是需要解決的另一關鍵問題。因此，對先進復合材料，不僅要求其具有高的比強度、比模量和韌性，而且要求具有隱身性能，即兼有結構及功能性能。發展先進復合材料關鍵之一是開發綜合性能優異的樹脂基體。目前研究樹脂基體主要目標是：

 

a. 高韌性的樹脂基體，如復合材料的沖擊后壓縮強度(CAl)>300 MPa的樹脂基體。

b. 具有高透波率的樹脂基體，其tan&約0.3× 10-2。

c. 吸收雷達波的樹脂基體。

d. 耐熱300℃以上的樹脂基體。

e. 適用于RTM等新型工藝的樹脂基體。

 

其中，a、b、d和e已研制成功，但我國尚有一定差距。c仍為空白。研究和開發樹脂基體的途徑是以原有樹脂改性為主，合成新品種并重。

 

環氧樹脂由于性能優異,數十年來一直是火箭發動機殼體用復合材料樹脂基體的主體,預計今后相當長時間內仍將如此.這些年來曾經歷過剛性環氧-柔性環氧-剛性環氧的再認識過程,但居主導地位的一直是剛性雙酚A二縮水甘油醚的環氧混合物。環氧樹脂的固有缺點是耐沖擊損傷能力差,耐熱性能也較低(小于170℃),火箭發動機在高速下飛行,外表面必須良好絕熱,以防御氣動加熱影響,這樣則加大了發動機的惰性質量。多年來各國都在努力改進環氧樹脂性能,例如提高韌性或耐熱性，以不斷提高發動機的性能。許多研究工作表明環氧樹脂改進仍有很大潛力。

 

80年代又興起用耐熱性強韌性熱塑性樹脂來增韌環氧樹脂。這些熱塑性樹脂本身具有良好的韌性，而且模量和耐熱性較高，作為增韌劑加入到環氧樹脂中同樣能形成顆粒分散相，它們的加入使環氧樹脂的韌性得到提高，而且不影響環氧固化物的模量和耐熱性。但熱塑性樹脂的加入，往往導致體系的粘度增大，且增韌的效果在一定范圍內隨添加量增大而增大，這給這類樹脂的工程應用帶來了諸多難題，尤其是諸如火箭發動機殼體的纏繞成型工藝，但熱塑性樹脂還是一種很有前途的環氧增韌劑。

 

近年來發展了用耐熱性高、力學性能良好的熱塑性工程塑料來增韌熱固性樹脂，如聚醚砜、聚碳酸酯、聚醚醚酮和聚酰亞胺。從而在不降低體系的玻璃化溫度、強度和硬度等優點的情況下改善高交聯體系的韌性。八十年代初首次報道用Ultem1000a聚醚酰亞胺(PEI)改性環氧樹脂的研究。李善君等合成了一系列與環氧樹脂具有良好相容性的結構新穎的可溶性聚醚酰亞胺PEI。在Epon-828和TGDDM環氧樹脂體系中取得了非常優異的增韌效果。材料斷裂能提高5倍,模量和玻璃化溫度維持不變。以少量組分的聚醚酰亞胺PEI構成網狀連續相而形成了“雙連續”和“相反轉”的相結構。因此控制體系的相結構成為制備高性能復合材料基體樹脂和粘合劑的重要手段。在此基礎上，深入開展了新穎聚醚酰亞胺對熱固性樹脂的增韌改性研究[23~27]。通過對聚合反應誘導相分離規律的研究和應用，研究固化反應和相分離速度的各種影響因素，了解相分離所遵循的動力學模型，控制分相條件，成功獲得了高強度耐熱性能優良的、能適用于航空航天工業的高性能基體樹脂。

 

液晶聚合物（LCP）中都含有大量的剛性介晶單元和一定量的柔性間隔段，其結構特點決定了它的優異性能。它在加工過程中受到剪切力作用具有形成纖維狀結構的特性，因而能產生高度自增強作用。TLCP增韌環氧樹脂的機理主要為裂紋釘錨作用機制。少量TLCP原纖存在可以阻止裂紋發展，提高了基體的韌性，而材料的耐熱性及剛度則基本不損失。隨著研究的進展，熱致性液晶聚合物增韌環氧樹脂作為一種新的技術，必將在工程應用中發揮重要的作用。

 

復合材料正在迅速發展成為航天航空工業的基本結構材料。高性能聚合物基復合材料在航空航天工業的用量占其全部用量的80%。由于碳纖維具有高比強度、比模量、低熱膨脹系數和高導熱性等獨特性能，因而由其增強的復合材料用作航空航天結構材料，減重效果十分顯著，顯示出無可比擬的巨大應用潛力。

 

碳纖維增強樹脂基復合材料用做航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等。在火箭和導彈上使用碳復合材料減重效果十分顯著。因此,采用碳纖維復合材料將大大減輕火箭和導彈的惰性重量，既減輕發射重量又可節省發射費用或攜帶更重的彈頭或增加有效射程和落點精度。人造衛星展開式太陽能電池板多采用碳復合材料制作。隨著碳纖維和基體樹脂性能的不斷提高,碳纖維增強樹脂基復合材料的耐濕熱性和斷裂延伸率得到顯著改善和提高。在飛機上的應用已由次承力結構材料發展到主承力結構材料,拓寬了在飛機工業中的應用。

 

新型隱身材料對于飛機和導彈屏蔽或衰減雷達波或紅外特征，提高自身生存和突防能力，具有至關重要的作用。在雷達波隱身材料方面，除涂層外，復合材料作為結構隱身材料正日益引起人們的關注，主要為碳纖維增強熱固性樹脂基復合材料（如C/EP、C/PI或C/BMI）和熱塑性樹脂基復合材料（如C/PEEK，C/PPS），目前已經得到某些應用。

 

國內大飛機復合材料現狀、問題與方向

 

當然與軍機相比，民機還可以采用國際采購的方式來彌補技術上的差距，如飛機發動機、部分機載設備、零部件和材料都可以采用這種方式。但是民機制造中仍有許多東西是用錢買不來的，如飛機的總體設計能力，尤其是集成能力得靠經驗上的累積。又如電傳操作，這是核心技術，空客在這個方面已比較成熟，波音777也采用了電傳操作技術，其中有些還是光傳技術，這種技術人家是不會賣給我們的，只有靠自己研發。

 

據了解，現在國產化的T300飛機復合材料正在研制之中，可望不久能投入批量生產，以替代目前進口的T300。在復合材料的制造工藝上，國內的一些主要飛機廠也正在加快更新設備。如西飛，其應用飛機復合材料的主要設備熱壓罐原來的最大直徑為3.5米，現在準備上直徑六米的熱壓罐。國內航空產品制造業中少數能夠依托自主研發, 引進、消化國際先進技術,實現產品國際取證和銷售的生產企業。

 

哈飛股份與空中客車公司共同在組建合資制造中心, 生產A350XWB寬體飛機項目的復合材料零部件, 正式切入全球飛機制造產業鏈中.并向空中客車公司成功交付第一架份復合材料機體結構件, 此舉不但標志著哈飛股份已成為空中客車公司合格供應商之一，重要的是，在中國自主研發制造的大飛機中，哈飛股份的復合材料必將得到更大規模的運用，公司的復合材料制造面臨飛躍，從而使公司的發展空間更加廣闊。

 

航空制造業戰略機遇空前。飛機制造業是巨大的系統工程，是基礎科學和制造業企業通力合作的結果，哈飛股份擁有除軍機的軍械加裝和試飛以外的較完整的業務鏈.幾十年生產軍、民用直升機，輕型及支線固定翼飛機研制,參與國際航空的轉包產品生產都為公司參與到大飛機項目中做好了一定的技術儲備。除生產和銷售直9系列, HC120,EC120機身,運12等產品外,另外3個長期投資單位涉及的方向則是民用支線飛機以及中型民航客機的研制生產, 其中安博威公司主要生產銷售50座級渦扇ERJ145支線飛機, 該機型采用當代先進的渦輪風扇發動機和集成化航空電子設備, 其安全性,舒適性和各項性能指標不亞于大型干線飛機,目前該系列飛機全球銷售量已超過700架, 2006年所簽大單生產任務排到2010年。公司在原有的制造直升機和中型飛機(ERJ145支線飛機)所取得的技術儲備和經驗是使公司在參與到大飛機項目時更具優勢。

 

技術問題一直是我國發展大型客機的最基本問題。近年來雖然有些關鍵技術獲得了突破，但是大型客機的整機研制能力與世界先進水平相比仍是全方位的差距，尤其是波音、空客新的機型大規模采用復合材料后，大型客機的研制能力又一次與世界先進水平拉開了距離。民機技術儲備極少。由于歷史的原因，我國民機在技術上投入非常少，民機的技術儲備更少。原上航集團黨委書記潘繼武說，尤其是我國的民機在實踐上停滯了很多年后，飛機設計的參數、定值積累極少，民機設計能力相對較弱，在技術上突破需要花費很多力量。

 

西安飛機工業(集團)有限責任公司(簡稱西飛)、第一飛機設計研究院、中國飛行試驗設計研究院三家曾共同完成了一份資料，對本世紀初我國飛機的研制能力做出了一個詳細的評估。這份資料稱，我國飛機設計水平與國際水平相比差距約20年。在超音速巡航技術、噴管矢量技術、高推重比技術及無人駕駛控制技術等方面都有一定差距，綜合設計能力也低，設計實踐經驗欠缺，設計規范落后。在飛機制造技術方面，與世界飛機制造加工基地相差10至20年，如數控效率只有波音的1/8。

 

更讓人焦慮的是，隨著近年來復合材料在飛機上的大量應用，我國民機研制的能力有進一步與世界先進水平拉開的危險。

 

飛機上的復合材料主要是指碳纖維的復合材料。以前國際上的大型客機采用的材料都是以先進鋁合金為主，飛機的設計、制造都建立在這種材料基礎上。以波音777為例，其機體結構中，鋁合金占到70%、鋼11%、鈦7%，復合材料僅占到11%，而且復合材料主要用于飛機輔件。但到波音787時，復合材料的使用出現了質的飛躍，不僅數量激增，而且開始用于飛機的主要受力件，現在波音787的復合材料用量已占到結構重量的50%。

 

飛機結構件大規模使用復合材料，是現代飛機制造史上的一次革命性變化。它使飛機重量更輕、強度更高、耐疲勞耐腐蝕性更好，而且復合材料中的高強度碳纖維進行大規模工業化生產后，可以使飛機的制造成本更低。同時在計算機技術、激光、C掃描等先進科技的支持下，復合材料制造飛機結構件的質量能夠更加可靠地保證飛機的安全性。根據波音和空客公開的研究資料表明，到2020年它們的飛機將全部采用復合材料。

 

而我國目前僅掌握金屬飛機的研制能力，復合材料只能少量地用在飛機輔件上，在主結構上的應用還需要進一步預研。這就好比是空客、波音已經能用鋼筋水泥造房子，而我國僅掌握全套的用“秦磚漢瓦”造房子的辦法，現在才開始學著使用鋼筋水泥。更要命的是，用于飛機的復合材料我國現在還需要進口，尤其是像T800這樣廣泛應用的飛機復合材料我國還不會生產。

 

我國進行大型客機的研制，面臨的技術困難是巨大的。在日趨激烈的航空市場上，沒有技術領先、具有競爭力的飛機，即使生產出來了，也無法占據市場。在波音和空客用復合材料飛機替代金屬飛機的大背景下，我國要研制大型客機，只有迎頭趕上，生產出與之抗衡的飛機才行，這需要廣大技術人員付出更多的努力。

 

目前國內的飛機專家都已認識到了這個問題，一批專家已提前進行飛機的預研。據中國航空工業第一集團公司科技委副主任馮培德透露，現在已有上億元的經費投入到預研中，其中就包括材料。

 

“冰凍三尺，非一日之寒”，我國民機技術全方位地落后于歐美國家，是由于多方面的因素造成的，其中主要有三個：一是由于我國民機的型號研制頻度太低，無法有效積累大量數據；二是由于民機生產至今還沒有相關的研究所，民機直到現在還沒有轉向研究開發型；三是我國科技轉化生產力水平較低，與歐美航空工業相比，我國航空企業還沒有成為真正的科技轉化生產力的主體，科技轉化生產力體制機制的最佳模式還沒形成。

 

我國現在開始抓飛機復合材料的預研，當然有利于縮小與世界先進水平的差距。但是從長遠來看，要從根本上解決我國民機技術上的差距，還得從解決我國民機技術長期落后的三個原因做起，即要加大民機研制的頻度、成立專門的民機研究所、建立科技轉化生產力體制機制的航空工業最佳模式。高性能樹脂基體及其改性是我們樹脂行業的責任和義務。努力做好這方面的研發和產業化才能使我們從一個生產消費大國變成真正的生產消費強國。

 

碳纖維增強復合材料在航空航天領域的應用研究

 

航空航天工業是現代科技領域的重要組成部分，對材料的性能和質量要求極高。傳統金屬材料在航空航天領域存在著密度大、強度低、腐蝕易、疲勞壽命短等問題，不足以滿足航空航天領域對材料的要求。

 

因此，尋求新型輕質、高強度、高性能材料成為了航空航天領域的研究熱點。

 

碳纖維增強復合材料是一種由碳纖維和樹脂基體組成的復合材料，具有密度低、強度高、疲勞壽命長、抗腐蝕性好等優點，廣泛應用于航空航天領域。

 

本文將從碳纖維增強復合材料的制備方法、性能特點和應用研究等方面進行綜述，旨在深入了解碳纖維增強復合材料在航空航天領域的應用現狀和未來發展趨勢。

碳纖維增強復合材料的制備方法

 

碳纖維增強復合材的制備方法多種多樣，常見的包括預浸料法、層壓法、紡織法、自動化制備等。

 

預浸料法：預浸料是一種在生產過程中將樹脂浸漬到碳纖維上形成的半成品。該方法通常采用高性能樹脂浸漬碳纖維，并在預先設定的溫度和壓力下固化，形成具有預定形狀和性能的復合材料。

 

預浸料法制備的碳纖維增強復合材料具有優異的性能，廣泛應用于航空航天領域的結構件制備。

 

層壓法：層壓法是將預先處理的碳纖維和樹脂片層間交替疊壓，然后在高溫和高壓下進行固化。這種方法簡單、靈活，適用于小規模、復雜形狀的復合材料制備。層壓法制備的碳纖維增強復合材料廣泛應用于航空航天領域的機身、翅膀、襟翼等結構件。

 

紡織法：紡織法是將碳纖維以紗線或布料的形式編織或織造成預定形狀，然后通過浸漬樹脂、固化和加熱處理形成復合材料。這種方法可以制備復雜形狀和大尺寸的復合材料結構件，適用于航空航天領域的大型結構件制備。

 

自動化制備：隨著科技的發展，自動化制備碳纖維增強復合材料的技術不斷提高。例如，自動化制備采用機器人、自動化生產線等設備，可以實現碳纖維的自動剪裁、堆疊、浸漬和固化，從而提高生產效率和產品質量。

 

碳纖維增強復合材料的性能特點

碳纖維增強復合材料具有許多優異的性能特點，使其在航空航天領域得到廣泛應用。

 

輕質高強：碳纖維增強復合材料的密度約為金屬的1/4，但其強度卻相當于或甚至超過許多金屬材料。這使得碳纖維增強復合材料成為一種輕質高強的材料，可以承受高強度、高速度和高溫等極端環境下的應力，特別適合航空航天領域的要求。

 

良好的耐腐蝕性：碳纖維增強復合材料具有良好的耐腐蝕性，不會受到酸、堿、鹽等化學物質的侵蝕，也不會受到氧化和腐蝕的影響。這使得碳纖維增強復合材料在航空航天領域中可以應對復雜的化學和環境條件，保持長期穩定的性能。

 

高溫性能優越：碳纖維增強復合材料在高溫環境下表現出優越的性能。它們具有較低的熱膨脹系數和高的耐熱性，能夠在高溫下保持較好的尺寸穩定性和力學性能，適合在航空航天領域中應用于高溫結構件，如航空發動機零部件。

 

良好的疲勞性能：碳纖維增強復合材料在疲勞加載下表現出較好的性能，具有較高的疲勞壽命和抗疲勞裂紋擴展能力。這使得碳纖維增強復合材料在航空航天領域中可以應對循環加載、振動和沖擊等復雜的力學環境，具有較好的可靠性和耐久性。

 

優異的機械性能：碳纖維增強復合材料具有優異的強度、剛度和韌性，具有較高的屈服強度、斷裂韌性和拉伸強度。這使得碳纖維增強復合材料在航空航天領域中可以應用于高強度、高剛度和高韌性要求的結構件。

碳纖維增強復合材料在航空航天領域的應用研究

航空航天結構件：碳纖維增強復合材料在航空航天領域中被廣泛應用于飛機機身、機翼、舵面等結構件。由于其輕質高強的特性，可以有效減輕飛機結構的重量，提高飛機的燃油效率和航程。

 

航空發動機零部件：碳纖維增強復合材料在航空航天領域中還被廣泛應用于航空發動機的零部件，如葉片、導向葉片、燃燒室等。

 

航空發動機對材料的要求非常嚴格，需要具有優異的高溫性能、耐腐蝕性和高強度，以應對高溫、高壓和腐蝕等惡劣環境。碳纖維增強復合材料可以滿足這些要求，并且具有較低的密度，有助于減輕發動機重量，提高發動機的效率和性能。

 

筆者觀點：

碳纖維增強復合材料在航空航天領域的應用主要集中在飛機結構件、航空發動機零部件、航電系統和熱防護結構等方面。在這些應用中，碳纖維增強復合材料表現出了明顯的優勢，包括輕質高強、耐疲勞性能好、高溫性能優越等特點。

 

參考文獻：

1.李明, 邱士華. 碳纖維增強復合材料在航空航天領域中的應用研究[J]. 材料導報, 2018, 32(1): 191-196.

2.程衛, 李東方, 徐建國. 碳纖維復合材料在航空航天領域應用研究進展[J]. 航天材料與工藝, 2017, 47(4): 7-11.

航天透波復合材料應用及發展

 

關于航天透波復合材料

航天透波材料是廣泛應用于各種航天器通信系統的一種結構/功能一體化材料。在飛行器中，透波結構按照應用部位的不同，主要分為天線罩與天線窗兩大類。天線罩/天線窗既是飛行器的結構件，又是無線電尋的制導系統的重要組成部分；既要承受飛行器在飛行過程中的氣動載荷、氣動熱等惡劣環境，又要作為發射和接收電磁信號的通道，保證其與外界的正常通信。因此，研制和開發高性能航天透波材料，對于航天制導系統的發展具有重要意義。

 

氮化物陶瓷基復合材料是目前航天透波領域研究的熱點和重要方向之一。在陶瓷基體中引入第二相復合形成陶瓷基復合材料，可以在保留單體陶瓷低密度、高強度、高模量、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等優點的基礎上，明顯改善單體陶瓷的本征脆性，提高其損傷容限，從而增強抗力、熱沖擊的能力，還可以賦予單體陶瓷新的功能特性，呈現出“1+1>2”的效應。以碳化硅(SiC)纖維為代表的陶瓷纖維在保留單體陶瓷固有特性的基礎上，還具有大長徑比的典型特征，從而呈現出比塊體陶瓷更高的力學性能以及一些塊體陶瓷不具備的特殊功能，是一種非常適合用于對單體陶瓷進行補強增韌的第二相增強體。因此，陶瓷纖維和陶瓷基復合材料已經成為航空航天、武器裝備、能源、化工、交通、機械、冶金等領域的共性戰略性原材料。

 

制備技術的研究一直是陶瓷纖維與陶瓷基復合材料研究領域的重要內容。1976年，日本東北大學Yajima教授通過聚碳硅烷轉化制備出SiC纖維，并于1983年實現產業化，從而開創了有機聚合物制備無機陶瓷材料的新技術領域實現了陶瓷材料制備技術的革命性變革。多年來，由于具有成分可調且純度高可塑性成型、易加工、制備溫度低等優勢，陶瓷先驅體轉化技術已經成為陶瓷纖維、陶瓷涂層、多孔陶瓷、陶瓷基復合材料的主流制備技術之一，受到世界各國的高度重視和深入研究。

 

20世紀80年代初，國防科技大學在國內率先開展陶瓷先驅體轉化制備陶瓷纖維與陶瓷基復合材料的研究，并于1998年獲批設立新型陶瓷纖維及其復合材料國防科技重點實驗室(簡稱CFC重點實驗室)。三十多年來，CFC重點實驗室在陶瓷先驅體設計與合成、連續SiC纖維、氮化物透波陶瓷纖維及復合材料纖維增強SiC基復合材料、納米多孔隔熱復合材料、高溫隱身復合材料等方向取得一系列重大突破和創新成果，建立了以先驅體轉化技術為核心的陶瓷纖維和陶瓷基復合材料制備技術體系。這些成果原創性強，豐富和拓展了先驅體轉化技術領域的內涵，為我國新一代航空航天飛行器、高性能武器系統的發展提供了強有力的支撐。

 

透波材料的應用背景

航天透波材料是一種保護航天飛行器在惡劣環境中通信、遙測、制導、引爆等系統正常工作的多功能介質材料，在運載火箭、空天飛機、導彈及返回式衛星等領域有著廣泛的應用。天線窗和天線罩是兩種常見的航天透波材料結構件，如圖1.3所示。其中，天線窗一般位于飛行器的側面或者底部，采用平板或帶弧面的板狀結構，是飛行器電磁傳輸和通信的窗口，對飛行器的飛行軌跡控制及跟蹤至關重要。天線窗的位置通常不會處在最惡劣的熱力環境中，因此相對于天線罩，其對性能的要求并不十分嚴苛。天線罩位于導彈頭部，多為錐形或半球形，它既是彈體的結構件，又是無線電尋的制導系統的重要組成部分，是一種集承載、導流、透波、防熱、耐蝕等多功能為一體的結構/功能部件。

 

隨著航天技術、新材料技術的不斷進步和現代戰爭模式的變革，新型高馬赫數導彈及作戰飛行器朝著高速飛行、精確制導、遠程打擊、末段機動的方向發展。作為制導系統的關鍵組成部分，高性能天線罩/天線窗的設計、選材與制備成為新型制導武器研制的瓶頸之一。

高馬赫數導彈及飛行器在高速飛行過程中，將會受到強烈的氣動載荷和劇烈的氣動加熱，其制導系統的關鍵部件一一天線罩/天線窗將面臨極為惡劣的工作環境。例如，當遠程彈道導彈再人大氣層時，天線置承受嚴重的高溫高壓、噪聲、振動、沖擊和過載；高速可重復使用飛行器天線窗則面臨長時間的持續氣動加熱和沖刷，以及可重復使用的苛刻要求:在惡劣的工況下，天線罩/天線窗還需實現電磁信號的高效傳輸，以滿足制導與控制的要求。因此，研制具有耐高溫、抗燒蝕、高強度、低介電、低損耗、易成型、高可靠性能的透波材料，對新型導彈與作戰飛行器的發展具有重要意義。

透波材料的基本要求

航天透波材料是一種結構/功能高度一體化的材料，必須具備良好的綜合性能。高馬赫數導彈和飛行器透波部件對材料的性能要求主要包括電學性能、力學性能、抗熱震性能和耐熱性能、抗粒子侵蝕性能以及可加工與穩定性等，具體如表1.1所示。

透波材料的發展歷程

世界各軍事強國在航空航天復合材料領域的研發投入持續增加。透波材料是研制高性能精確制導飛行器的關鍵材料之一，其發展歷程與航空航天技術的不斷進步密切相關。

 

最早應用于飛行器的天線罩可追溯到第二次世界大戰時期。1941年，美國制備了應用于波音B-18A飛機上的雷達天線罩，飛行速度低，對材料的抗燒蝕性能要求不高，因此采用了有機玻璃材料。在此基礎上，美國于20世紀50年代初采用E玻璃纖維增強不飽和聚樹脂制備了“波馬克”天線可用于馬赫數3主動尋的制導導彈。

 

現代戰爭中攻防雙方的節奏不斷加快，要求導彈具有更高的飛行速度和機動性，導彈的氣動加熱環境變得更加苛刻。有機材料具有較差的耐熱性，因此不適用于高馬赫數的導彈。相比之下，一些陶瓷材料憑借其自身的高熔點(升華點)、良好的高溫力學性能、優異的介電性能等逐漸成為高馬赫數導彈天線罩的首選材料。近年來，針對單相陶瓷材料普遍存在的韌性差、可靠性不高的缺點人們又對各種陶瓷材料進行優化設計，通過各種增韌方法制備出性能更加優異的陶瓷基復合材料，適用于制備高超聲速的導彈天線置/天線窗。

綜上所述，天線罩/天線窗透波材料的發展經歷了一個從有機材料到陶瓷材料，從單相陶瓷材料到陶瓷基復合材料的過程(圖1.4)。

增材制造：面向航空航天制造的變革性技術

 

增材制造技術在航空航天應用方面具有單件小批量的復雜結構快速制造優勢，未來將向著設計、材料和成形一體化方向發展。分析了增材制造在航空航天領域應用發展的3個層面，以航空發動機渦輪葉片增材制造、高性能聚醚醚酮（PEEK）及其復合材料、連續纖維增強樹脂復合材料及太空3D打印為主題，介紹了增材制造技術國內外以及西安交通大學的研究狀況。渦輪葉片應用增材制造工藝可以有效提高效率降低成本，未來向高性能的高溫合金和陶瓷基復合材料增材制造技術發展。高性能輕質聚合物PEEK及其復合材料增材制造在高力學性能結構件、吸波功能件的成形中得到應用，將改變現有的設計與材料，推動結構與功能一體化發展。連續纖維復合材料增材制造將帶動無模具纖維復合材料成形的新發展，在太空3D打印將改變未來航空航天制造模式。增材制造技術將給航空航天制造技術帶來變革性發展。

 

增材制造技術是一種相對于傳統的冷加工和熱加工的特種制造技術，其具有單件小批量的復雜結構快速制造優勢，在航空航天領域具有廣泛的應用前景。這一技術能夠解決傳統制造技術難以完成的復雜結構制造。隨著增材制造技術在航空航天領域應用的深入，設計、材料和成形一體化將成為新一代的制造模式，引領航空航天技術的變革發展。

 

增材制造技術在航空航天領域的應用，主要體現在3個層面。

 

第1個層面傳統設計方法和材料體系采用增材制造技術進行構件制造，這是目前的主要研究和應用模式，這個層面重點解決的問題是材料工藝穩定性、成形組織的缺陷和性能提升、成形精度控制等問題，并通過與現有工藝的結合來推進應用，例如增材、減材、鍛造等多工藝復合提升精度和力學性能。

 

第2個層面是面向新的結構設計采用增材制造技術，例如GE公司在航空發動機噴油嘴采用增材制造技術，改變原有基于機械切削工藝的的結構設計體系，將過去的30多個零件裝配的復雜結構，改為一個整體結構，采用增材制造一次整體完成具有內腔結構的噴油嘴制造，這一方法從根本上變革了發動機噴油嘴的設計制造理念，使得結構變小、節能效益增加、性能可靠穩定。

 

第3個層面是采用新的功能材料與結構一體化增材制造實現更多新的功能，可以使航空航天技術在輕質、特種性能和特殊環境下的結構制造提供新方法，例如連續纖維復合材料制造、太空環境下的制造等。增材制造技術要不斷解決工程應用所面臨的制造質量問題，更應該有效的利用增材制造技術原理，從設計、材料、成形一體化出發，深入挖掘技術應用，推進增材制造技術在航空航天領域的創新發展。

 

在航空航天領域，航空發動機和輕量化功能結構是重點和難點領域。面對的未來發展的更高需求航空發動機葉片是一個最為關鍵的部件，其具有極端的高溫性能和復雜的冷卻結構要求，是制約航空發動機發展的難點。航空結構件是航空航天的主體結構，其未來向著輕質高性能發展，高性能聚合物、纖維復合材料、吸波隱身復合材料是需要探索的方向。本文重點圍繞以上方向論述航空航天領域增材制造國內外發展和西安交通大學的研究進展。

 

1 航空發動機渦輪葉片成形技術

 

隨著航空發動機對推重比需求日益增長，渦輪進口溫度從第三代發動機1700K提高到第五代2000K以上。為保證渦輪葉片承溫能力，高溫合金材料由等軸晶發展至單晶，內部冷卻結構由單一對流氣冷轉變為雙層壁超氣冷，氣膜孔結構由簡單圓柱型轉化為復雜異型，由此對現有渦輪葉片制造技術提出嚴峻挑戰?，F階段，國內外主要采用熔模鑄造技術制造航空發動機空心渦輪葉片。該技術通過金屬模具壓制型芯、型芯裝配、壓制蠟型、掛漿制殼、精密鑄造等10個主要環節，獲得金屬渦輪葉片。在大批量生產渦輪葉片時，熔模鑄造工藝適用性強；但對于含有新型冷卻結構渦輪葉片的研制，由于鑄型制備過程涉及多套工裝模具，流程復雜，裝配誤差大，工藝控制難度大，導致葉片研制周期長(通常至少6個月以上)，響應慢，制造成本高。

 

1.1 型芯/型殼一體化鑄造技術

增材制造引入渦輪葉片鑄造成形領域，可大大降低結構復雜度的限制，實現型芯/型殼的無?；苽?，為空心渦輪葉片快速制造提供新途徑。目前空心渦輪葉片陶瓷鑄型直接成形的AM技術主要有選區激光燒結和陶瓷光固化成形。北京航空材料研究院、華中科技大學等科研院所開展了相關的研究，并在航空領域得到初步驗證，一定程度上推動了渦輪葉片制造技術的發展；但是，SLS鑄型表面質量和尺寸精度以及高溫性能有待提高，以滿足空心渦輪葉片近凈成形的苛刻技術要求。而CSL技術成形陶瓷素坯精度較高，在渦輪葉片鑄型制備方面具有潛在應用價值。美國佐治亞理工大學及密西根大學安娜堡分校研究了基于CSL技術的渦輪葉片鑄型成形工藝，實現了型芯/型殼一體化陶瓷鑄型的制備。研究表明：采用該技術可制備復雜結構陶瓷鑄型，但存在精細結構陶瓷漿料清理困難的問題，引起微細陶瓷型芯的結構完整性容易破壞；并且，高溫燒結后鑄型的精度誤差較大，燒結收縮率通常達到10%以上。

 

為此，西安交通大學提出型芯/型殼一體化渦輪葉片快速制造技術。該技術以光固化樹脂原型代替傳統熔模鑄造蠟型，采用型芯/型殼一體化凝膠注模代替傳統型殼的掛漿制備和型芯的壓制成形，實現型芯/型殼的一次成形，用于空心葉片的鑄造。技術路線如圖 1所示，主要包括：樹脂原型的光固化成形、凝膠注模、冷凍干燥、燒結和精密鑄造等。較之CSL技術，此方法制備的鑄型精度更高，性能更加穩定，滿足定向晶/單晶葉片對鑄型高溫性能的苛刻需求。

圖 1 基于型芯/型殼一體化鑄型的渦輪葉片快速成形技術

Fig. 1 Rapid manufacturing technology of turbine blade based on integrated core/shell ceramic mold

 

西安交通大學在型芯/型殼一體化渦輪葉片快速成形技術在陶瓷鑄型制備、鑄型中高溫力學性能調控、全流程葉片精度控制等方面取得了突破，實現了多種型號空心渦輪葉片的快速研制，取得了以下技術進展。

圖 2 型芯/型殼一體化陶瓷鑄型

Fig. 2 Integrated core/shell ceramic mold

 

1) 建立了基于光固化3D打印的空心渦輪葉片型芯/型殼一體化鑄型快速制備技術體系。該技術改變了傳統葉片制造需要型芯模具、型芯/型殼組合的復雜流程，受結構復雜程度的限制大大降低，可為新型氣冷葉片的內腔復雜冷卻流道提供更大的設計自由度。并且，鑄型壁厚可準確調控，通過調節散熱條件來實現葉片柱狀晶/單晶組織的控制。該技術還可以用于復雜異型氣膜孔等新型冷卻結構的整體鑄造成形，推進渦輪葉片數字化精確控形控性。

 

2) 空心渦輪葉片型芯/型殼一體化陶瓷鑄型中高溫力學性能調控技術。研究提出以有機陶瓷前驅體進行一體化鑄型中溫強化的方法，有效保證了鑄型焙燒后的結構完整性。建立了基于莫來石高溫強化的材料體系，可實現1 500 ℃下高溫抗彎強度8~34.9 MPa可調控，分別滿足不同尺寸等軸晶、定向柱晶、單晶葉片的凝固要求。

 

3) 型芯/型殼一體化空心渦輪葉片全流程精度控制技術。研究通過霧化覆膜技術，解決了光固化樹脂原型表面臺階效應，提升了光固化原型內外表面質量(表面粗糙度優于3.2 μm)。通過真空冷凍干燥工藝方法，可有效抑制鑄型干燥開裂，解決了厚大陶瓷坯體干燥的難題，實現了鑄型濕坯的無缺陷快速干燥，并將干燥效率提升2~3倍。提出了一體化鑄型型芯燒結重心面概念，解決了細長懸臂型芯燒結變形的問題，并構建了“近零燒結收縮”材料體系與燒結工藝，將鑄型燒結收縮率控制在0.1%內，實現了空心渦輪葉片精確成形(關鍵尺寸誤差低于0.1 mm)，實現了葉片的高精度制造。

 

針對傳統熔模鑄造技術中渦輪葉片研制周期長、工藝復雜、成本高、響應慢等問題，將高精度光固化成形與精密鑄造結合，發明了型芯/型殼一體化渦輪葉片快速成形技術，可實現復雜結構空心渦輪葉片中小批量的快速制造，圖3為基于本技術成形的空心渦輪葉片。較之熔模鑄造工藝，該技術在新型號、復雜結構空心渦輪葉片的研制中具有顯著優勢，可縮短空心渦輪葉片研發周期60%~80%，節約研發成本60%以上，并有利于渦輪葉片尺寸精度的調控。此外，該技術也可延伸至雙層壁結構葉片、異型氣膜孔、機匣的快速制造。

圖 3 基于型芯/型殼一體化技術的空心渦輪葉片

Fig. 3 Hollow turbine blades manufactured by integrated core/shell technology

 

1.2 難熔高熵合金增材制造技術

耐高溫材料及其制造工藝是航空發動機發展的關鍵環節。美國多用途先進渦輪發動機計劃(VAATE)、歐洲先進核心軍用發動機計劃(ACME)等相繼推行，其定義了未來第五代推重比15~20的高性能航空發動機，渦輪前進口設計溫度將達到2 200 K以上。難熔高熵合金具有耐高溫、高強度、高硬度、抗輻照性能佳的特點，在航天航空領域、核工業領域、生物醫學領域均有巨大應用前景。增材制造技術利用高能能量源將材料逐點熔化，逐層堆積，直接成形。憑借加工周期短，生產效率高，復雜構件快速成型的特點，為極端應用環境下難熔高熵合金復雜結構制造提供了可能性。因此由高熔點元素構成的難熔高熵合金及其增材制造在未來航空航天工業中有巨大應用潛力。

 

激光增材制造以高能率激光束為能量源，熔化制備高熵合金不僅可以實現高強度和高延性的完美結合，不需要傳統的真空熔煉設備，而且有制造更大、更復雜、可用于工程應用的耐高溫高熵合金零件的潛力，也體現出材料基因組研究的作用。目前選擇性激光熔化制備高熵合金研究主要集中在優化工藝、改善材料性能等方面。

 

2015年，英國謝菲爾德大學的Brif等采用選擇性激光熔化制備了FeCoCrNi高熵合金，晶粒在巨大的溫度梯度和快速凝固共同作用下得到細化，屈服強度達600 MPa，是真空電弧熔煉樣件的3倍以上，在Hall Petch效應和單一固溶體的作用下FeCoCrNi高熵合金同時具有高強度和良好的延展性。研究結果表明SLM不僅能制備高熵合金，而且所得到的力學性能滿足工程應用的需求。

 

2017年，德國亞琛工業大學的Haase等使用激光熔覆沉積制備了CoCrFeMnNi高熵合金，沉積的高熵合金密度高，無宏觀偏析，化學均一性好，平均維氏硬度195HV5，壓縮屈服強度260 MPa，優于常規熱處理樣件，證明了激光熔覆沉積技術用于高熵合金大批量樣品生產的可行性。同時，Haase提出將平衡態合金相圖和非平衡態Scheil方程相結合用于預測高熵合金的相組成和元素分布的合金設計理念。

 

2018年，新加坡制造技術研究院的Zhu等采用選擇性激光熔化制備了近全致密的CoCrFeNiMn高熵合金，熔池、柱狀晶粒、亞微米胞狀結構和位錯組成了分層結構，定量分析表明胞狀結構通過位錯強化提高了屈服強度(510 MPa)，并認為通過優化工藝參數、掃描策略和加工方向，可以進一步有效地提高材料的力學性能。

 

西安交通大學致力于增材制造難熔高熵合金的研究。采用激光選區熔化工藝，進行了NbMoTaW成型工藝以及性能的研究。制備了NbMoTaW合金試樣，如圖 4所示，并進行了的物相分析，結果表明NbMoTaW合金結構為單一的BCC相無序固溶體。NbMoTaW合金在高能率激光選區熔化過程中形成柱狀晶，金屬微熔池處于激冷(冷卻速率103 K/s)條件下迅速冷卻，得到了平均尺寸為20 μm的極小晶粒，同時W、Nb、Mo、Ta元素在高熵合金中均勻分布，無明顯微觀偏析，采用激光增材制造NbMoTaW高熵合金力學性能優于電弧熔煉等其他工藝高熵合金的性能。

圖 4 選區激光熔化成型高熵合金樣件

Fig. 4 High-entropy alloy samples formed by selective laser melting

 

通過優化材料成分來調控成型樣件的組織結構，以增加塑性相來改善增材成形性。獲得NbMoTaX系高熵合金增材制造樣件常溫壓縮強度達到2.3 GPa(圖 5(a))，800 ℃時高溫壓縮強度達到1.0 GPa。相比于成分優化前的NbMoTa合金常溫壓縮性能提高了77.5%，高溫壓縮性能提高了230%，如圖 5(b)所示。研究表明，形成的增材制造專用NbMoTaX高熵合金密度達到9.0 g/cm3以下，其部分高溫性能超過傳統高溫合金(圖 5(c))，通過大幅簡化氣膜孔，在力學性能及燃油效率上大幅優化，為下一代高溫葉片材料和成形工藝提供變革性思路。

圖 5 增材制造NbMoTaX系高熵合金性能特點

Fig. 5 Properties of additive manufacturing NbMoTaX high-entropy alloy

 

采用激光增材工藝成形難熔高溫高熵合金過程中，由于材料熔點與基板溫度梯度較大，結合面處熱積累嚴重時，易產生如圖 6所示的翹曲現象，嚴重影響合金性能。成型相同成分的樣件時，仍需根據樣件的大小以及形狀復雜程度選用不同的工藝窗口，因此工藝窗口的通用性不強。圖7采用相同材料成分、相同工藝窗口打印形狀相同而大小不同的兩個樣件時，小樣件沒有裂紋而大樣件出現了致命性的裂紋，因此難以實現大尺寸復雜結構高端部件的精密制造。難熔高熵合金選用的元素大都為高熔點元素，成型后形成單一的體心立方(BCC)相，BCC相對溫度敏感，因此成型的樣件塑性差，具有很低的延伸率。因此仍需通過材料成分的優化設計以及工藝窗口的優化來使難熔高熵合金真正走向市場。

圖 6 選區激光熔化過程中高熵合金翹曲現象

Fig. 6 Warpage of high-entropy alloy samples formed by selective laser melting

圖 7 采用相同材料以及工藝激光增材成型相同形狀不同大小的渦輪葉片樣件

Fig. 7 Turbine blade samples of same shape and different sizes formed by the same material and process

 

1.3 陶瓷基復合材料渦輪葉片制造技術

 

為了提高推重比，未來先進航空發動機渦輪進口溫度將高于2 000 ℃，遠超過高溫合金熔點，即使采用先進的冷卻結構，現有的空心渦輪單晶葉片耐溫性也難以滿足超高溫服役需求，而纖維增韌陶瓷基復合材料(CMC)具有高比強、耐高溫等優勢，克服了高溫合金耐溫差和密度大等缺點，是先進航空發動機熱端部件的理想結構材料。以CMC材料替代高溫合金制造航空發動機核心渦輪葉片，將使發動機的重量顯著減小、工作溫度提高，增加推重比，降低油耗；其次，CMC材料具有良好的高溫損傷容限，可顯著提高航空發動機的可靠性。因此，CMC渦輪葉片先進制造技術對未來先進航空發動機快速發展具有重要戰略意義。

 

國外先進航空發動機代表性機構主要包括美國航空航天局(NASA)和通用電氣航空公司(GE)、英國羅爾斯-羅伊斯公司(R-R)等，成功將碳化硅陶瓷基復合材料(SiC-CMC)應用于航空發動機低壓渦輪葉片。其中，美國GE公司已在F414軍用渦扇發動機上，驗證了SiC-CMC低壓渦輪動葉的耐高溫與持久性能，并在GE-nx民用渦扇發動機高壓渦輪葉片上開展了系列試驗；GE公司研發的波音777X大型客機的GE-9X發動機，采用SiC-CMC低壓渦輪轉子葉片等，將發動機重量降低6%，極大提升了GE-9X發動機推力，燃油效率提高約10%；2017年，GE公司聯合法國斯奈克瑪公司，實現了LEAP發動機SiC/SiC-CMC熱端靜子部件的工程化應用。同時，美國NASA公司將渦輪葉片模型分解，以纖維編織成形骨架，然后通過組合裝配、反應燒結等實現航空發動機熱端部件的制造(圖 8)，但CMC熱端部件連接處耐溫性較差，并且纖維編織精度較低，致密CMC熱端部件需要大量后處理。由上可知：美國在先進航空發動機CMC渦輪葉片制造等領域已實現重大技術突破，并從簡單結構、低溫、靜子部件轉為復雜結構、高溫、轉子部件，彰顯了SiC-CMC材料在未來軍用和民用航空發動機的巨大應用潛力。SiC-CMC材料應用到高壓渦輪轉子葉片，成為未來先進航空發動機發展的必然趨勢。近十多年，國防科技大學、西北工業大學以及北京航空材料研究院等少數機構，主要沿襲國外纖維編織技術，開展CMC渦輪葉片制造的研究，或者針對高性能纖維及其CMC材料制備進行了自主探索，取得長足進步，但國內商用航空發動機目前和將來相當時間內仍然依賴美國GE公司和英國R-R公司等先進代表性機構。

圖 8 美國航空航天局(NASA)CMC渦輪葉片

Fig. 8 NASA CMC turbine blade

 

目前國內外航空發動機CMC渦輪葉片的制造，主要以纖維編織工藝成形增韌結構，再通過化學氣相滲透技術實現碳化硅陶瓷基體的致密化，雖然具有纖維含量高、連續性好、力學性能佳等優點，但難以實現復雜結構數字化成形和組織性能調控(控形和控性)。隨著增材制造技術的發展，顯著減小了渦輪葉片結構設計的約束，從而為復雜SiC-CMC渦輪葉片的高性能制造提供了新思路。由此，西安交通大學提出航空發動機CMC渦輪葉片制造新方法，與現有國內外技術相比，可實現復雜結構渦輪葉片CMC材料制備/精密成形一體化制造。發明了基于光固化3D打印的高體積含量純纖維預制體凝膠注模成型技術，克服了復雜結構CMC渦輪葉片整體成形難的技術瓶頸，以化學氣相滲透制備纖維界面層，以原位合成獲得SiC陶瓷基體的致密化，通過材料設計和工藝實現CMC組織性能調控，可獲得復雜結構CMC渦輪葉片快速制造，將CMC材料斷裂韌性提高到8 MPa·m1/2以上。建立了凝膠注模/原位合成碳化硅陶瓷基體強度調控方法。研究表明游離硅含量過高是導致CMC材料高溫強度較低的主要原因。通過添加碳源提高纖維預制體中碳含量，以原位合成高溫相(如碳化硅或硅化鉬)降低CMC材料中游離硅，若采用單質石墨，游離硅含量依然較高(約31.83vol%)。為進一步控制游離硅量，采用酚醛樹脂浸漬裂解，研究表明酚醛樹脂作為碳前驅體可顯著提高預制體中碳含量，以原位合成高溫相可有效控制CMC材料中游離硅，游離硅含量最低值小于10vol%，實現CMC渦輪葉片1400 ℃高溫強度達到400MPa以上。提出定向微觀層片結構CMC復雜零部件的制造方法。將定向冷凍與凝膠注模結合，開創性探索了定向冷凍凝膠注模技術。研究發現層狀陶瓷具有較高彎曲強度同時表現出較大的應變能力，可以實現CMC渦輪葉片結構成形和組織性能一體化快速制造。提出CMC渦輪葉片預制體的纖維核殼結構制備方法。以直寫打印技術成形具有纖維(核)和陶瓷(殼)結構特征的CMC預制體，然后通過化學氣相滲透獲得纖維界面層，采用先驅體浸漬裂解等(如：聚碳硅烷)進行預制體致密化，首次將碳化硅陶瓷基復合材料的制備從材料設計向增韌核殼結構設計轉變。研究表明，同軸直寫打印技術可有效控制三相流中纖維(核)與陶瓷(殼)的體積比，定向排列纖維可顯著提高CMC材料的抗斷裂性能。較之現有3D打印多孔碳纖維增韌碳化硅復合材料，該方法將CMC強韌性提升3倍以上，圖9為制備的SiC-CMCs渦輪葉片。

圖 9 SiC-CMCs渦輪葉片

Fig. 9 SiC-CMCs turbine blade

 

因此，相對于目前CMC渦輪葉片纖維編織工藝，增材制造技術在陶瓷基復合材料制造中的運用，顯著減小CMC渦輪葉片復雜結構設計的約束，實現CMC纖維組織和外形結構的控制，適合復雜結構CMC渦輪葉片的高性能快速制造，有望推動未來先進航空發動機快速研制，縮短中國與歐美先進制造水平的差距。

 

2 高分子材料及其復合材料增材制造

 

聚醚醚酮(Poly-Ether-Ether-Ketone，PEEK)是半結晶、熱塑性高分子聚合物材料，具有優異的耐熱性與穩定性，而且，碳纖維、陶瓷材料、金屬化合物等增強相改性形成的PEEK基復合材料具有更為優異的物化性能或形成了具有某種特定作用(耐輻射、智能變形、導電、電磁屏蔽等)的功能性材料。因此，PEEK及其復合材料已經作為典型的輕質高性能材料或功能性材料應用于航空航天領域，近年來，隨著增材制造(3D打印)技術的發展，其與PEEK及其復合材料的結合，可以快速成形結構更為復雜、功能要求更為多樣的制件，大大提升了其在航空航天領域的應用潛力。PEEK及其復合材料具有杰出的阻燃性、力學性能、耐蠕變性和耐疲勞性，可制造燃油過濾網、螺栓、螺母、繞線管、艙內座椅及飯桌、艙內蒙皮、整機電纜橋架及電器元件、艙內把手、壓縮機及泵體等零部件，已經應用于航空航天器的內裝件，僅國外威格斯企業的PEEK材料已經在超過15 000架飛機上實現了應用，比金屬減重最高達70%，國內商飛公司也采用PEEK材料的高壓電纜導管替代金屬管道，減重高達45%，并且提高了燃油效率。此外，由于PEEK及其復合材料優異的耐候性、耐水解性、耐腐蝕性等，同樣可以被應用于航空航天器的外裝件，國外空客公司已經采用PEEK材料作為燃油箱蓋板應用到空客A380飛機上，并采用高模量碳纖維增強的PEEK材料作為飛機艙門配件應用到空客A350-900飛機上，而波音公司則采用PEEK材料作為輪轂罩應用到新型波音777飛機上，并且，PEEK及其復合材料還是雷達天線罩制造的理想材料，已經在各種型號航空航天器上得到了較為普遍的應用。

 

2.1 PEEK材料增材制造

 

PEEK材料與增材制造(3D打印)技術的結合，以制造出結構、性能、功能更為復雜的零部件，可以滿足航空航天領域對于超音速、隱蔽性、深空探索、在軌制造等更深層次的需求。目前主要用于PEEK及其復合材料的增材制造工藝主要有粉末床燒結和熔融擠出兩種方式，自2015年以來，國外的英國?？巳卮髮W、德國EOS公司、莫斯科理工大學，國內的西安交通大學、吉林大學等研究單位開發了可用于PEEK及其復合材料的粉末床燒結裝備或熔融擠出裝備，并在此基礎上進行了工藝試驗研究，可以獲得性能優異、結構復雜的功能構件，顯示出其在航空航天領域中的應用潛力。其中最新的應用例如，國外的歐洲航天局推出了增材制造的PEEK材料CubeSat立體小衛星項目，并進入第一次測試運行，美國航空航天局則支持了一項SpiderFab機器人計劃，旨在采用CF/PEEK材料在軌增材制造大型太陽能電池陣列的支撐結構，已在地面開展了測試試驗，而國內的中電38所和西安交通大學合作采用PEEK材料進行了復雜結構雷達天線的增材制造，探索了其在航空航天復雜環境下的應用價值。

 

分子結晶與力學性能調控增材制造技術與應用。PEEK材料是一種半結晶高分子材料，本研究團隊發明了一種分子結晶與力學性能調控增材制造技術，可以通過調控增材制造過程中的熱工藝參數(環境溫度、打印溫度、熱處理方式等)，得到不同位置不同結晶度的PEEK材料制件，而制件結晶度越高，其硬度、模量、強度越高，但塑性、韌性越低，因此可以在同一制件上體現出不同的力學性能，以滿足航空航天環境下復雜應力應變變化的需求。目前，該技術可以普遍應用于航空航天器內裝件與外裝件零部件的制造，根據實際應用環境進行PEEK材料制件強韌性的調控，典型應用如把手、儀器面罩、天線及其支撐柱等，如圖 10所示。

圖 10 艙內把手與雷達天線

Fig. 10 Cabin handle and radar antenna

 

高精度大尺寸PEEK材料增材制造技術與應用。航空航天領域的大部分零件具有尺寸大(單方向尺寸大于1 m)、精度要求高等特點，因此，本研究團隊開展高精度大尺寸PEEK材料增材制造技術研究，通過變形和精度控制、大幅面制造、控性冷沉積和精度補償等技術，研發了面向PEEK及其復合材料的高精度大尺寸增材制造裝備，可實現大尺寸PEEK材料構件的高穩定制造，同時實現內部精密結構(如蜂窩結構、多孔結構等)的高精度成形。目前，該技術可以應用于航空航天器中較大尺寸(0.5~1 m)實體零件的快速成形，和大尺寸(大于1 m)薄壁零件的可控制造，典型應用如雷達天線罩、大尺寸衛星照相遮光罩等，如圖 11所示。

圖 11 高精度大尺寸增材制造裝備(上)和1.3 m的蜂窩結構雷達天線罩(下)

Fig. 11 High-precision and large-size additive manufacturing equipment for PEEK (Upper) and 1.3 m honeycomb structure radome (Lower)

 

纖維增強PEEK基復合材料增材制造技術與應用。為了滿足航空航天領域更高的性能和功能要求，可以采用碳纖維、玻璃纖維等增強相對PEEK材料進行改性，并采用增材制造技術進行復合材料零件的制造。研究團隊所開展的纖維增強PEEK基復合材料增材制造技術研究，可以實現所獲得復合材料制件的綜合力學性能相較于純PEEK材料制件提高50%以上，并提高了制件的耐磨性、耐熱性和尺寸穩定性，可更好適應空天的復雜氣流與溫度環境。目前，該技術可以應用于航空航天器中承載結構件或耐熱等功能結構件的制造，在滿足需求的同時達到減重的目標，典型應用如飛機黑匣子外罩、氣流管道和流體閥體等(圖 12)。

圖 12 增材制造的纖維增強PEEK基復合材料零件

Fig. 12 Additively manufactured fiber-reinforced PEEK- based composite parts

 

2.2 寬頻大角度吸波結構增材制造

航空隱身技術能夠有效提高現代戰機的突防能力以及戰爭生存能力，是現代先進航空飛行器的重要技術指標?，F代戰機的隱身技術是通過弱化飛行器的目標的雷達散射截面積(RCS)實現的，目前主要通過外形設計、阻抗加載和材料吸波特性實現，而材料隱身技術在不影響飛行器整體結構的條件下，通過主動結構設計，結合特定吸波材料的物理特性，有望實現質量輕、頻帶寬、大角度的電磁吸波特點，是未來航空隱身技術的主要發展方向和趨勢。

先進航空飛行器受到結構設計、材料體系、制造工藝等諸多方面的限制，材料隱身技術是依據電磁波理論，通過主動設計單元結構從而實現整體結構吸波隱身效果，這類結構往往具有精巧的單元結構，因此對于加工方法具有極大的挑戰。因此，隱身技術的實現必然依靠材料/結構功能一體化實現飛行器的綜合隱身，利用增材制造技術其在復雜結構制造上的優勢，能夠實現“材料-設計-制造”一體化的方向，拓寬了材料自身吸波性能的物理限制，因此，成為隱身技術重要的制造方法之一，也是學術領域和工程應用的研究熱點。

 

西安交通大學團隊使用立體光固化增材制造工藝(SL)制造了一種梯度折射率雷達吸收結隊構，該結構展示了良好的電磁吸收能力，較早的驗證了采用增材制造技術實現復雜吸波結構的技術優勢；西北工業大學團隊使用立體光固化技術(SL)和化學氣相滲透技術制造了具有不同角度的蜂窩狀Al2O3/SiCw復合材料吸波結構，通過控制蜂窩角度，實現了吸波性能的調節，當角度為30°，厚度為3.5mm時，吸波性能最優，最小反射損耗達到-63.65dB，有效吸收帶寬達到4.2dB(8.2~12.4 GHz)。牛津大學團隊采用雙噴頭熔融沉積增材制造工藝制造不同材料的各向異性介質復合物，一個噴頭制造低介電常數的多聚物，另一個添加高介電常數的無機微粒填充物，其制造的吸波結構最大吸波性能接近15.75GHz。

中南大學團隊采用選擇性激光燒結增材制造工藝(SLS)制作了一種三層不同單元的均質材料吸波結構，試驗表明其在4~18GHz均低于頻率-10dB。南京航空航天大學團隊使用多材料數字光投影技術對石墨烯/羰基鐵/聚甲基丙烯酸甲酯烯等復合材料進行打印，制造了一種具有雙層結構的吸收體，通過控制雙層結構的厚度，可以實現吸波性能的調節，通過優化得到最小反射損耗為-46.1dB, 有效吸收帶寬為3.5GHz。

增材制造技術憑借其在復雜結構方面的制造優勢，在隱身結構的制造方面獲得了重要的突破，然而從上述研究內容不難發現，目前增材制造隱身結構的吸波帶寬不寬、吸波方向固定，這也與目前均質的增材制造結構吸波特性所吻合，結構與材料的復合吸波優勢尚未通過增材制造工藝充分體現。

高性能聚合物復合材料吸波結構增材制造工藝采用以聚醚醚酮(PEEK)為代表的高性能聚合物為基體材料，羥基鐵等材料作為吸波增強相材料，提出了一種具有連續變化的材料/結構設計與增材制造方法，通過對設計連續變化的胞元結構以及復合材料吸收劑含量的調控，實現了與自由空間的梯度阻抗匹配及樣件制造。

設計的多層級吸波結構如圖13(a)和圖13(b)所示，該結構共有10個層級，每個層級厚度為2mm，通過設計每層吸波結構中單胞結構幾何參數和復合材料分布共得到四組不同梯度單元結構。其中，單胞結構幾何參數如圖13(b)所示為正六邊形和平行四邊形復合而成，其中胞元高度D和棱邊寬度W為常數，分別為2mm和0.2mm，而平行四邊形對邊垂直高度H為變量，其取值范圍為1.2~3.0mm。

圖 13 吸波結構設計

Fig. 13 Design of absorption structure

吸波復合材料則分別采用聚醚醚酮(PEEK)粉末以及球形羰基鐵粉(粒徑1~3 μm)制備了3種含量的3D打印專用吸波復合材料絲材(50wt%、60wt%、70wt%)，測試了3種含量(50wt%、60wt%、70wt%)復合材料的電磁性能參數，在12~18 GHz波段內，隨著羰基鐵粉濃度的增加，有效粒徑增大，吸波復合材料介電常數實部、磁導率實部、磁導率虛部增加明顯。

圖14為打印完成的多層吸波結構試樣及在不同角度入射電磁波下的反射損耗曲線測試結果。測試結果顯示，隨著電磁波入射角度從20°增加到50°，多層吸波結構反射損耗曲線逐漸向上移動，吸波性能逐漸下降。圖14(c)和圖 14(d)顯示，當入射角分別為20°和30°時，實測反射損耗值曲線較仿真結果整體向上偏移；當入射角分別為40°和50°時，實測反射損耗值曲線較仿真結果整體向下偏移；這主要是由于3D打印精度誤差導致了在不同入射角度下特征阻抗發生變化，從而引起吸波效果與仿真結果的差異。最終可以得出結論，當電磁波入射角度分別為20°、30°、40°、50°時，多層級梯度吸波結構的有效吸波(＜-10 dB)頻寬分別為9.8 GHz(8.2~18 GHz)、9.65 GHz(8.35~18 GHz)、9.25 GHz(8.75~18 GHz)、8.6 GHz(9.4~18 GHz)。

圖 14 3D打印樣件及測試結果

Fig. 14 3D printing sample and measured results

 

吸波復合材料增材制造技術通過微結構單元的設計，結合多種吸收劑的吸波特性，可以進一步拓寬吸收頻帶，整體結構吸波方向性也得到了改善。隨著航空隱身技術的快速的發展，寬頻、全向、承載/功能一體化已經成為未來航空隱身技術的主要發展趨勢，基于電磁損耗原理的可控微結構一體化設計、跨尺度(微/納)復合材料以及高精度制造等關鍵技術研究及應用，有望成為實現航空隱身突破的重要技術手段，并在隱身艦船上層建筑等領域獲得重大應用。

 

3 連續纖維增強復合材料3D打印及太空制造

 

纖維增強樹脂基復合材料具有輕質高強等優異特性，現有復合材料成形工藝如熱壓罐、自動鋪放、纖維纏繞等長久以來因無法擺脫模具的存在面臨著加工成本高、生產過程冗雜、零件構型簡單等共性問題，為此發展新的復合材料低成本一體化快速制造技術將是下一代復合材料主要發展方向與技術挑戰。近年來，連續纖維增強復合材料3D打印技術作為一種新興的復合材料制造技術，其繼承3D打印無模自由成形的技術優勢，擺脫高昂的模具限制，大大降低復合材料的加工成本，實現復雜構件的一體化成形。因此，連續纖維增強復合材料3D打印為現階段先進復合材料面臨的發展困境提供了一種綜合性的解決方案，具有十分重要的科學意義與工程應用價值。

 

3.1 連續纖維增強復合材料3D打印

 

該技術在傳統材料擠出成形工藝(ME)基礎上創新發展起來的，根據原材料與打印方式的不同主要包括連續纖維預浸絲3D打印與連續纖維干絲原位浸漬3D打印兩種不同的形式。

 

連續纖維預浸絲3D打印首先需要制備纖維預浸絲，再利用預浸絲進行3D打印，典型代表為美國Markforged公司，Markforged自2014年開始陸續推出Mark系列打印機，主要采用兩個獨立噴頭，一個噴頭擠出熱塑性樹脂，另外一個連續纖維預浸絲束，兩個噴頭配合工作分別鋪放熔融樹脂與纖維預浸束進行構件輪廓與內部填充結構的制造，打印碳纖維增強尼龍復合材料拉伸強度與模量分別達到700 MPa與54 GPa。連續纖維預浸絲3D打印工藝的關鍵是纖維預浸絲材的制備，Hu等開發了利用螺桿擠出熔融浸漬的方式制備碳纖維增強PLA預浸絲，熔融樹脂在螺桿旋轉剪切作用下流動性改善同時在螺桿壓縮作用下產生較大的壓力，更容易滲透到纖維束內部形成具有良好界面的預浸絲。

 

連續纖維干絲原位浸漬3D打印，與預浸絲打印最大的區別在于連續纖維直接采用纖維干絲，打印過程中纖維與樹脂同時送入到同一個3D打印頭內，在加熱作用下樹脂融化與纖維復合，之后復合材料擠出層層堆積成形三維零件。西安交通大學研究團隊于2014年率先提出了以纖維干絲與熱塑性樹脂絲材為原材料進行連續纖維復合材料原位浸漬3D打印的技術原理，成功實現了連續碳纖維增強ABS復合材料的打印，當纖維含量為10%左右時，拉伸強度與模量分別達到了147 MPa與4.185GPa，是純ABS試樣的5倍與2倍左右。2015年，東京理科大學Matsuzaki等開發出原位浸漬ME工藝實現了連續碳纖維增強聚乳酸復合材料的打印，當纖維含量為6.6%時，拉伸強度與模量分別達到了200 MPa與20 GPa，如圖 15所示。

圖 15 連續纖維干絲原位浸漬3D打印工藝

Fig. 15 In-situ impregnation 3D printing process of continuous dry fiber bundle

 

對連續纖維增強熱塑性復合材料3D打印開展了系統的成形工藝實驗，研究了3D打印工藝參數的變化對復合材料力學性能的影響規律，復合材料彎曲性能與打印頭溫度呈負相關關系，與分層厚度、掃描間距成負相關關系，分析表明工藝參數的變化會引起成形過程中溫度與壓力的變化，二者會改變復合材料的微觀結構，同時工藝參數也會改變復合材料的纖維含量，微觀結構的好壞以及纖維含量的高低是決定復合材料宏觀力學性能的重要因素，因此，在連續纖維3D打印工藝中可以通過工藝參數的調控實現復合材料的性能可控制造。

 

由于連續纖維3D打印技術獨特的工藝優勢，能夠帶來對復合材料結構設計與制造理念的革新，對于突破現有復合材料的應用模式促進復合材料向更廣泛領域發展具有巨大潛力，研究團隊圍繞連續纖維3D打印進行了初步的應用探索，一方面，開發了復合材料輕質結構一體化成形技術，如波紋板結構、蜂窩結構等，可被應用于航空航天、汽車交通等領域解決傳統制造工藝成本高、周期長的問題，起到進一步減重、提升性能的效果，如圖 16所示；另一方面，探索了基于連續纖維3D打印的結構功能一體化、智能化復合材料制造的行性，通過對3D打印連續纖維中材料分布、纖維路徑規劃等設計實現復合材料的可控變形以及材料變形狀態的實時檢測，實現復合材料致動、傳感的一體化，在未來的變形機翼、柔性機器人等領域具有巨大的潛在應用價值，如圖 17所示。

圖 16 輕質結構連續纖維3D打印一體化成形

Fig. 16 Continuous fiber 3D printing of lightweight structure

圖 17 連續纖維增強熱塑性復合材料4D打印與變形調控技術

Fig. 17 4D Printing and deformation control technology of continuous fiber reinforced thermoplastic composites

 

圍繞連續纖維增強復合材料原位浸漬3D打印技術，建立了基礎工藝參數對復合材料力學性能的調控機制實現復合材料的性能可控制造，重點開發了3D打印連續纖維復合材料多重結合界面強化方法，改善了復合材料的界面結合強度與微觀結構，保證了復合材料優異的力學性能，所成形復合材料纖維體積分數達到50.2vol%左右，縱向拉伸強度與模量分別達到了最高的766.67 MPa與77.25 GPa，實現了復合材料構件低成本快速制造，對于促進復合材料在航空航天等重要工業領域進一步向輕量化、智能化、集成化等方向發展具有重要意義。

 

3.2 太空連續纖維復合材料3D打印

太空作為人類未來發展甚至居住的重要領域，具有至關重要的發展意義和戰略價值，是承擔和保護國家安全和發展的關鍵命脈之一。近年來，各個國家為了探索太空的可能性，爭奪太空領域的優先權，均大力發展航天技術，從而衍生出了許多太空戰略規劃，如美國2018年制定的《國家航天戰略》以及俄羅斯的《2016—2025年俄羅斯聯邦航天規劃》等，太空3D打印則被認為是航天技術發展的核心方向之一。

 

太空3D打印是指在空間環境(微重力、真空、高低溫等)下通過3D打印實現太空基地或構件的原位成形技術。太空3D打印技術通過將制造環境和應用環境統一，實現按需原位制造，解脫“地面制造-運輸組裝”的傳統模式，大大提高了航天活動的靈活性，降低了技術成本，具有廣闊的應用和發展前景。

 

美國是開展太空3D打印技術相關研究最早也是技術最先進的國家，美國航空航天局(NASA)主導并合作不同研究機構開展了各類太空3D打印的探索研究及實施計劃。NASA馬歇爾飛行中心于1993年便率先開展部分高分子聚合物FDM工藝對空間環境適應性分析研究，并于1999年開展拋物飛行試驗，驗證了微重力環境下的FDM工藝的可行性。NASA蘭利研究中心則開發了一套適用于太空飛行的輕型電子束熔絲沉積設備(EBF3)，并通過拋物飛行試驗，初步實現了飛行過程中的樣件成形，驗證了該工藝的可行性。NASA和Made In Space公司于2014年合作實現了全球首次艙內太空3D打印，實現了利用FDM技術成形多個ABS樣件，如圖 18所示，并于2015年4月成功回收至NASA馬歇爾飛行中心，大大推進太空3D打印的進程，實現了從地面驗證到在軌成形的飛躍。NASA和Tether Unlimited公司則合作提出了SpiderFab技術以期實現大型空間桁架結構的一體化艙外在軌成形。

圖 18 美國2014年實現首次太空3D打印

Fig. 18 U.S. achieved its first space 3D printing in 2014

 

歐洲的太空3D打印同樣發展迅猛。歐洲宇航局(ESA)授權意大利Altran公司研制了第一臺FDM空間3D打印機-POP3D，并于2015年將其成功送入國際空間站，為搭建太空零部件的加工工廠提供了驗證基礎。俄羅斯于2016年報道，由托木斯克理工大學高科技物理研究所等4家單位聯合研制了該國的首臺太空3D打印樣機。

 

中國的太空3D打印技術相比歐美起步較晚，但目前也已實現了部分工藝及設備的拋物飛行實驗及艙內驗證。中國科學院空間應用工程與技術中心于2016年共同研制了國內首臺FDM太空3D打印機，并在法國波爾多完成了拋物線失重飛行試驗，實現了包含短纖增強復合材料在內的多材料體系微重力環境驗證與工藝探索。

 

2020年5月7日，西安交通大學和北京衛星制造廠聯合研發的太空3D打印機成功搭載“長征”5號運載火箭實現了太空3D打印，這也是全球首次連續纖維增強復合材料的太空3D打印，如圖 19所示。連續纖維增強復合材料太空3D打印為發展高強度高剛度空間構件的原位成形提供了創新且有效的技術手段。

圖 19 中國實現全球首次連續纖維增強復合材料的太空3D打印

Fig. 19 China realized world's first space 3D printing of continuous fiber reinforced composites

 

針對太空3D打印，目前公開報道的相關研究主要有3部分，分別是面向太空環境的3D打印工藝及設備的地面或艙內驗證、太空3D打印的高性能材料研究以及太空環境下的材料回收再打印。

 

現階段，太空3D打印的地面驗證及在軌實驗多以ABS、PLA等純樹脂以及金屬粉末作為原材料開展相關驗證研究，相關材料體系難以滿足太空環境下高機械性能的穩定成形以及耐高低溫耐腐蝕的環境耐受性需求。西安交通大學提出的連續纖維增強復合材料3D打印工藝，能夠確保原材料的連續性，克服了太空中液體及粉末形態材料的難以穩定成形的缺陷。連續纖維復合材料也能夠滿足太空制件輕質高模量的性能需求，目前已實現了多種材料體系的地面驗證、設備搭建及性能評估，其中就包含耐溫及耐腐蝕性能最佳的連續碳纖維增強聚醚醚酮復合材料，其3D打印樣件的彎曲強度和模量可分別超過480 MPa和37 GPa，高于現有大部分鋁合金制品的力學性能，再次證實了連續纖維復合材料體系在太空良好的應用前景。

 

太空中的材料回收再利用是減少太空廢料污染、降低材料及運輸成本、提高太空制造能效的有效手段。Made In Space公司在內的多家研究機構已相繼開展以熱塑性樹脂為對象的空間回收再利用技術研究。相比于純樹脂，連續纖維增強熱塑性復合材料能夠更好地發揮連續纖維的形態優勢，實現回收再打印的目標。西安交通大學研究人員探索了連續碳纖維增強聚乳酸(CCF/PLA)復合材料的回收再利用。

 

通過非接觸式加熱熔融的方式進行逆打印路徑的絲材剝離及收卷，而后實現二次打印成形。經過性能測試，結果表明二次成形的力學性能相比首次打印可提升25%，再次證實連續纖維復合材料的回收再利用不僅有利于太空綠色節能制造，也能實現力學性能的有效提升。因此，開展空間環境下的連續纖維復合材料的回收再利用將會是未來該技術發展的一個重要方向。

 

4 結論與展望

 

1) 增材制造技術在航空航天領域具有巨大的發展空間，其應用可以分為3個層面，第1個層面傳統設計方法和材料體系采用增材制造技術進行構件制造；第2個層面是面向新的結構設計采用增材制造技術；第3個層面是采用新的功能材料與結構設計一體化增材制造實現更多新的功能。未來航空航天領域應用應該向功能材料與結構設計一體化增材制造發展。

 

2) 航空發動機渦輪葉片是航空制造的一個制造難點，采用與傳統鑄造融合的型芯/型殼一體化技術可以有效提升成形效率，為異型氣?？缀捅诶浣Y構制造提供新途徑。發展高熵高溫合金和陶瓷復合材料葉片增材制造技術是渦輪葉片變革發展的方向。

 

3) 以聚醚醚酮為代表的高性能輕質聚合物及其復合材料在航空航天領域具有廣闊的發展前景，提出增材制造工藝調控結晶度實現對力學性能的控制，實現增材制造的控形控性理念。短纖維與聚醚醚酮復合提升增材制造構件的力學性能，電磁吸波材料與聚醚醚酮復合可實現具有寬頻大角度吸波性能，為電磁波隱身的主動設計和可控制造提供新方法。

 

4) 連續纖維3D打印技術無需模具，能夠帶來對復合材料結構設計與制造理念的革新，未來向著復合材料致動、傳感的一體化的4D打印方向發展。連續纖維增強復合材料太空3D打印為發展高強度高剛度空間構件的原位成形提供了創新且有效的技術手段，中國實現全球首次連續纖維增強復合材料的太空3D打印，為中國未來太空制造技術競爭奠定了良好的基礎。

 

5) 航空航天產業是國家制造業實力的體現，增材制造技術的應用是中國航空航天技術趕超世界先進國家的歷史性機遇。未來增材制造技術發展主要需要關注3個方面需要和發展：航天航空器發展將向結構整體化制造發展，需要增材制造技術實現構件的整體化制造，這將將大幅度減少零部件數量，實現輕質高性能結構的發展；航空航天器構件將向多功能發展，增材制造技術將實現多功能材料的混合制造，承載、抗熱、吸波、通訊、自感知等多功能，使得航空航天構件向智能化發展；太空制造將由實驗走向應用，這將改變現有的航天器制造模式，極端環境、失重、低功耗等條件下，增材制造技術會面臨許多新的挑戰和機遇，太空增材制造技術有可能成為太空科技的新熱點。

 

原文: 李滌塵, 魯中良, 田小永, 張航, 楊春成, 曹毅, 苗愷. 增材制造——面向航空航天制造的變革性技術[J]. 航空學報, 2022, 43(4): 525387-525387.

 

航空航天用碳化物先進陶瓷材料發展現狀

 

航空方面，作為飛機“心臟”的航空發動機，其使用工況十分復雜，且對使用壽命的要求極高;與飛機比較，關鍵熱端部項材料的使用溫度更高，通常達到1000℃以上;與航天比較，材料的使用壽命需更長，一般要求達到3000h以上。因此，航空發動機的材料體系，需要能夠同時滿足高溫、長壽命的使用要求，是非常有限的。然而逐漸發展成熟的碳化硅陶瓷基復合材料(CMC-SiC)正在成為一種理想的候選材料。

 

CMC-SiC復合材料在國外航空發動機中的應用

CMC-SiC指碳化硅纖維增強碳化硅(SiC/SiC)和碳纖維增強碳化硅(C/SiC) 。CMC-SiC是一種輕質、耐高溫、冷卻少甚至無需冷卻的新型復合材料，是目前國際公認的最具發展潛力的發動機熱端部項材料之一，即保留了纖維耐高溫、高強、高模、耐腐蝕、抗蠕變、材料熱膨脹系數小等優點，同時又克服了陶瓷材料抗沖擊性能差、斷裂韌性低的缺陷。

 

目前，C/SiC和SiC/SiC材料己然引起美國、日本、德國、法國等航空發達國家的普遍關注，歷經二十多年目前仍在繼續研究。在制備工藝方面，主要的制備工藝有熱壓燒結法(HPS),反應燒結法(BB)、漿料浸滲/熱解法(SIFIP)、反應熔體滲透法(RMD、先驅體浸漬熱解法(PIP)和化學氣相滲透法(CVI)以及PIP-HP法、CVI-RMI法和CVI-PIP法等。美國以CVI, PIP技術為主，制備水平較高;日本擁有世界領先的連續碳化硅纖維制備技術，制備碳化硅復相陶瓷以PIP法為主，SiC/SiC的研究制備水平較高;德國以RMI和PIP技術為主，RMI技術世界領先;法國的CVI技術處于世界領先地位;我國以CVI, PIP, RMI技術為主，材料性能己達到國際領先水平。

 

在應用方面，經研究及考核結果表明，CMC-SiC可使中溫中等載荷靜止項(內錐體、密封片/調節片等)減重50%以上，并顯著提高其使用壽命，總的來說，目前，中溫中等載荷靜止項(內錐體、密封片/調節片等)己完成全壽命驗證并進入實際應用和批量生產階段;高溫中等載荷靜止項(導向葉片、渦輪外環、火焰穩定器、火焰筒等)正進行全壽命驗證，有望進入實際應用階段;而高溫高載荷轉動項(渦輪葉片、轉子等)尚處于探索研究階段，使用壽命與應用要求相距甚遠;而我國在應用方面的研究尚處于起步階段，與發達國家差距較大。

 

在航天方面，隨著科技的發展，高超聲速飛行器飛行速度己經達到5馬赫數以上，飛行器表面溫度會超過1000℃，傳統的熱防護材料己經不能滿足需求，超高溫材料成為新的研究熱點。碳化物超高溫陶瓷具有熔點高及抗熱震穩定性好等良好的化學與力學穩定性，能夠適應超高音速長時飛行、大氣層再入、跨大氣層飛行與火箭推進系統等極端環境，可以被應用于機翼前緣、鼻錐、發動機熱端等各種關鍵部項。作為應用在航天飛行器上的重要材料，碳化物超高溫陶瓷材料得到各國的高度關注。

高超音速飛行器

 

目前常見的碳化物超高溫陶瓷主要有碳化鋯(ZrC),碳化鉭(TaC)和碳化鉿(HfC)，以及以其為基體的陶瓷基復合材料或復相材料。這三種物質的熔點3000℃以上，具有優良的熱化學穩定性、物理性能，包括高彈性模量、高硬度、低飽和蒸汽壓、適中的熱膨脹率和良好抗熱震性能等，能在高溫下保持很高的強度。并且，以其作為高溫抗氧化燒蝕涂層技術在航空航天領域的應用也受到各個國家的普遍關注，它是一種外部涂層保護方法，保護原理是將制備各類涂層使材料與氧化燒蝕環境隔離開，阻止碳和氧發生反應。如，SUN W等人在C/C復合材料表面采用化學氣相沉積法沉積ZrC陶瓷涂層，能夠有效阻止氧向C/C集體進一步擴散。

4米口徑高精度碳化硅非球面反射鏡

 

此外，由于CMC-SiC無法長期在1700℃以上的氧化環境中使用，因此可采用ZrC，TaC等超高溫陶瓷材料對其進行涂層改性或基體改性，以發展更加耐高溫、長壽命以及結構功能一體化的新型超高溫材料。如今我國己然擁有CMC-SiC超高溫改性技術基礎。而SiC陶瓷材料是目前主要的航天反射鏡材料，廣泛應用于航空、航天的掃描鏡、反射鏡、光學系統等。我國己開發出4米大口徑碳化硅反射鏡，但應用最廣泛的仍是1.5米大口徑碳化硅反射鏡。

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