中国航空复合材料行业市场规模及未来发展趋势

 

作为当今全球航空航天技术发展的重要组成部分，航空复合材料具有轻质、高强度、高性能等优点，在航空航天领域得到了广泛应用。近年来，中国航空复合材料行业市场规模稳步扩大，并有望在未来几年实现高速发展。

根据市场调研在线网发布的2023-2029年中国航空复合材料行业竞争格局分析及发展趋势预测报告分析，2019年中国航空复合材料市场规模约为130亿元左右，同比增长约7.3%。同时，预计到2024年，中国航空复合材料市场规模将达到200亿元左右，同比增长率约为6.2%。

 

中国航空复合材料行业发展前景看好，未来几年仍将保持高速增长态势。一方面，我国航空业正在加快发展，需求量不断增加，这将促进航空复合材料行业的发展;另一方面，我国政府支持航空复合材料行业的发展，各级政府给予了关注和支持，将为航空复合材料行业的发展提供更多政策支持。

 

此外，航空复合材料行业也将受到其它行业的影响。如汽车、电子、建筑等行业也在大力采用航空复合材料，这将带来较大的市场机会。

 

因此，未来几年，中国航空复合材料行业有望继续保持高速发展态势，市场规模有望达到200亿元以上，总体上将实现良好的发展。

 

航空航天先进复合材料研究

 

复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。今天，一个国家或地区的复合材料工业水平，已成为衡量其科技与经济实力标志之一。先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争优势的源泉。在此其中，环氧树脂是优良的反应固化型性树脂。在纤维增强复合材料领域中，环氧树脂大显身手。它与高性能纤维PAN基碳纤维、S或E玻璃纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维复合，便成为不可替代的重要的基体材料和结构材料，广泛运用在电子电力、航天航空、运动器材、建筑补强、压力管道、化工防腐等六个领域。本文重点论述航空航天先进树脂基复合材料的国内外现状及中国正在研究的问题与方向。

复合材料使用的增强纤维

 

复合材料所用各种纤维材料性能比较见表1。对一些材料的性能进行了比较。由表1可见，仅玻璃纤维就比金属材料的比强度、比模量分别提高了540%和31%，碳纤维的提高则更为显著。据文献报道，由键能和键密度计算得出的单晶石墨理论强度高达150GPa。因此碳纤维的进一步开发潜力是十分巨大的。日本东丽公司的近期目标是使碳纤维抗拉强度达到8.5GPa、模量730GPa。毋庸置言，碳纤维仍将是今后固体火箭发动机壳体和喷管的主要材料。

 

开发碳纤维复合材料的其他应用大有作为，如飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发电机大型叶片、体育运动器材(如滑雪板、球拍、渔杆)等。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的逐步下降，在增强混凝土、新型取暖装置、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用也必将迅速扩大。我国为配合北京奥运会,拟大力开发新型CFRP建材及与环保，日用消费品相关的高科技CFRP新市场。

 

碳纤维是一种高强度、高模量材料，理论上大多数有机纤维都可被制成碳纤维，实际用作碳纤维原料的有机纤维主要有三种：粘胶纤维、沥青纤维、聚丙烯腈纤维。当前固体火箭发动机结构件用的碳纤维大多由聚丙烯腈纤维制成。

航空航天用树脂基复合材料

 

据有关资料报导，航天飞行器的质量每减少1千克，就可使运载火箭减轻500千克，而一次卫星发射费用达几千万美元。高成本的因素，使得结构材料质轻，高性能显得尤为重要。利用纤维缠绕工艺制造的环氧基固体发动机罩耐腐蚀、耐高温、耐辐射，而且密度小、刚性好、强度高、尺寸稳定。再如导弹弹头和卫星整流罩、宇宙飞船的防热材料、太阳能电池阵基板都采用了环氧基及环氧酚醛基纤维增强材料来制造。出于航天航空飞行及其安全的考虑所需，作为结构材料应具有轻质高强、高可靠性和稳定性，环氧碳纤维复合材料成为不可缺少的材料。

 

高性能环氧复合材料采用的增强材料主要是碳纤维(CF)以及CF和芳纶纤维(K-49)或高强玻璃纤维(S-GF)的混杂纤维。所用基体材料环氧树脂约占高性能复合材料树脂用量的90%左右。高性能复合材料成型工艺多采用单向预浸料干法铺层，热压罐固化成型。高性能环氧复合材料已广泛应用在各种飞机上。以美国为例，20世纪60年代就开始应用硼/环氧复合材料作飞机蒙皮、操作面等。由于硼纤维造价太贵，70年代转向碳/环氧复合材料，并得到快速发展。大致可分为三个阶段。第一阶段应用于受力不大的构件，如各类操纵面、舵面、扰流片、副翼、口盖、阻力板、起落架舱门、发动机罩等次结构上。第二阶段应用于承力大的结构件上，如安定面、全动平尾和主受力结构机翼等。第三阶段应用于复杂受力结构，如机身、中央翼盒等。一般可减重20%～30%。目前军机上复合材料用量已达结构重量的25%左右，占到机体表面积的80%。高性能环氧复合材料在国外军机和民机上的应用实例较多。

 

我国于1978年首次将碳-玻/环氧复合材料用于强-5型飞机的进气道侧壁。据有关会专家介绍，20世纪80年代在多种军机上成功地将C/EP用作垂直安定面、舵面、全动平尾和机翼受力盒段壁板等主结构件。

 

宇航工业中除烧蚀复合材料外，高性能复合材料应用也很广泛。如三叉戟导弹仪器舱锥体采用C/EP后减重25%～30%，省工50%左右。还用作仪器支架及三叉戟导弹上的陀螺支架、弹射筒支承环，弹射滚柱支架、惯性装置内支架和电池支架等55个辅助结构件。由于减重，使射程增加342km。德尔塔火箭的保护罩和级间段亦由C/EP制造。美国卫星和飞行器上的天线、天线支架、太阳能电池框架和微波滤波器等均采用C/EP定型生产。国际通讯卫星V上采用C/EP制作天线支撑结构和大型空间结构。宇航器“空中旅行者”的高增益天线次反射器和蜂窝夹层结构的内外蒙皮采用了K-49/EP。航天飞机用Nomex蜂窝C/EP复合材料制成大舱门，C/EP尾舱结构壁板等。

 

航空航天国内外发展现状及趋势

 

航天高新技术对航天先进复合材料的要求越来越高，促使先进复合材料向几个方向发展：①、高性能化，包括原材料高性能化和制品高性能化。如用于航空航天产品的碳纤维由前几年普遍使用的T300已发展到T700、T800甚至T1000。而一般环氧树脂也逐步被韧性更好的、耐温更高的增韧环氧树脂、双马树脂和聚酰亚胺树脂等取代；对复合材料制品也提出了轻质、耐磨损、耐腐蚀、耐低温、耐高温、抗氧化等要求。②、低成本化，低成本生产技术包括原材料、复合工艺和质量控制等各个方面。③、多功能化，航天先进复合材料正由单纯结构型逐步实现结构与功能一体化，即向多功能化方向发展。

 

碳纤维增强复合材料(CFRP)是目前最先进的复合材料之一。它以其轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点，广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。

 

环氧树脂由于力学、热学性能优异，电气性能优良，耐化学介质性、耐候性好及工艺性优良等优点，数十年来一直是固体火箭发动机复合材料树脂基体的主体，预计今后相当长时间内仍将如此。环氧树脂的缺点是耐冲击损伤能力差，耐热性较低(<170℃)，在湿热环境下力学性能下降明显。这些年来环氧树脂的发展经历了刚性环氧→柔性环氧→刚性环氧的过程。但居主导地位的一直是刚性双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂。如美国“三叉戟-1”、“三叉戟-2”导弹以及“飞马座”火箭采用的HBRF-55A配方以E-PON826为主。多年来各国都在通过加入柔性单元改进环氧树脂的韧性，通过加入新型刚性链单元结构或使用芴型芳香胺固化剂来提高耐热性，并分别取得了预期的效果。

 

耐高温结构复合材料用的新型热固性树脂一般指芳杂环高聚物,如聚酰亚胺、聚苯砜等，它们的耐热性比改性环氧和多官能团环氧更高，其中聚酰亚胺是目前耐热性最好、已实现工业化生产的重要品种。聚酰亚胺中的双马来酰亚胺(BMI)既具有聚酰亚胺耐高温、耐湿热、耐辐射的特点，又有类似于环氧树脂较易加工的优点。但缺点是熔点高、溶解性差、脆性大，如HexcelF650是成熟的第二代BMI树脂。在非常潮湿的情况下，最高连续使用温度为204.4℃，采用HexcelF650基复合材料的导弹经喷气式战斗机超声速冲刺后，能承受比预料更严酷的热环境。如能应用于固体发动机壳体，对其综合性能的提高十分有利。目前的主要问题是BMI的固化温度(约300℃)和固化压强(约1.5MPa)均比较高，使缠绕型组合芯模和壳体内绝热层难以承受。

 

氰酸酯树脂(CE)是二十世纪八十年代开发的一类新型树脂。主要用途有：高性能印刷电路板、高性能透波结构材料(如雷达罩)、航空航天用高韧性结构复合材料。最早应用于宇航领域的商品化氰酸酯基复合材料为美国Narmco公司的R-5254C，它是碳纤维增强的CE与其它树脂的混合物。随后,一些供应CE基复合材料预浸料的公司，在CE中加入玻璃化温度高于170℃的非晶态热塑性树脂如聚碳酸酯(PC)、聚砜(PS)、聚醚砜(PES)等，使CE保持优良耐湿热性能介电性能同时，冲击后压缩强度(CAI)值达到240~320MPa，其使用温度与改性后的PI、BMI相当。如Ciba-geigy生产的ArocyL-10和RTX366的熔融物粘度极小，只有0.1Pa·s，特别适用于纤维速浸法制预浸料，在SRM研制中有着广阔的应用前景。“YLA公司”使用XU71787-07试制成碳纤维增强预浸料，经质量评估认为可制作卫星天线。

 

液晶聚合物是热塑性树脂中较为独特和优异的一类，目前主要有芳族均聚酯和共聚酯。它们是一种自增强材料，高分子主链是由刚性或半刚性链段和柔性链段通过分子裁剪设计而成，在熔融状态呈液晶态，在冷却过程中这种有序性保留，使材料获得优异的力学性能。典型牌号有美国的Vectra树脂,Ekond树脂等。液晶聚合物既可以单独成型(如美国在1990年研制了所有结构部件均由液晶聚合物制作的固体火箭发动机)，也可以作为复合材料的树脂基体。通过注塑、模压、挤压成型、或制成带状、薄膜状材料缠绕成型发动机壳体。

 

国内外喷管用树脂基防热材料的发展经历大致相同，从玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛到碳/酚醛、碳/聚芳基乙炔，从单功能到多功能、低性能到高性能，树脂体系经历了从酚醛树脂、改性酚醛树脂到高性能树脂。目前对聚苯并咪唑、聚喹口恶啉、聚苯并唑、聚苯并噻唑、聚芳基乙炔等高性能树脂的应用研究已成为热点,是树脂基防热材料发展的方向。由于碳/酚醛复合材料具有生产周期短、制造成本低、性能适中等特点，是目前固体发动机喷管烧蚀防热材料中广泛使用的材料之一，主要用在如喷管扩张段一类受热流强度较低的部件上；又因其价格低廉，甚至在美国航天飞机助推器的喷管喉衬上也使用碳/酚醛材料。国外典型的碳/酚醛材料有FM5055、MX4957A等牌号，所用酚醛树脂多以Ba(OH)2、NH4OH等为催化剂合成。酚醛树酯虽耐烧蚀性优良，但重现性不好，烧蚀可预示性差。

 

酚醛树脂典型的改性途径有共聚改性，包括引进氰基、硼元素、芳环有机硅，以及采用二苯醚甲醛树脂、芳烷基甲醛树脂改性等；如氰基酚醛树脂的热氧化稳定性明显提高，分解温度达440℃，1000℃下的产炭率达68%~70%。为了使酚醛树树脂获得更高性能，我国广大科技工作者在酚醛树脂改性方面做了大量的研究工作，相继开发了硼酚醛、钼酚醛、高成碳酚醛等新型酚醛树脂。

 

聚芳基乙炔(PAA)是一种最有可能取代酚醛树脂作为烧蚀防热材料基体的树脂。它是一种仅含碳元素和氢元素的高度交联的芳族亚苯基聚合物，由二乙炔基苯和苯乙炔聚合而成。理论成炭率高达90%；聚合时无低分子副产物逸出；树脂吸水率极低，仅为0.1%~0.2%，远远低于酚醛树脂的5%~10%。

 

PAA最主要的优点是玻璃化温度极高，烧蚀重现性好，高温力学性能保持率高。美国宇航公司用T300和PAA制作的复合材料试件。室温下层间拉伸强度为5.3MPa，400℃时降为1.4MPa；标准碳/酚醛(FM5055)制作的室温层间拉伸强度仅为4.2MPa；260e时已下降到0.3MPa[1]。我国华东理工大学已能制备出应用于航天领域的耐烧蚀PAA树脂，树脂成碳率达85%。航天四院43所进行了聚芳基乙炔树脂成碳率、复合工艺性能、力学性能等方面的探索性研究，试验表明，碳/聚芳基乙炔复合材料成碳率、耐烧蚀性能远远优于迄今已应用的碳/酚醛复合材料。目前存在的主要问题是PAA的多苯环结构所引起基体性脆以及PAA与碳布浸润性差带来的复合材料层间力学性能不佳。

 

碳纤维复合材料因其较高的比强度、比模量在国外先进战略、战术固体火箭发动机方面应用较多，新型陆基机动固体洲际导弹一、二、三级发动机壳体、新一代中程地地战术导弹发动机壳体。如美国“侏儒”小型地对地洲际弹道导弹三级发动机燃烧室壳体由IM-7碳纤维/HBRF-55A环氧树脂缠绕制作,壳体容器特性系数PV/W≥39KM；三叉戟(D5)第一、二级固体发动机壳体采用碳/环氧制作,其性能较凯芙拉/环氧提高30%[17～20];“爱国者”导弹及其改进型,其发动机壳体开始采用D6AC钢,到/PAC-30导弹发动机上已经采用了T800纤维/环氧复合材料;此外,由美国陆军负责开发的一种新型超高速导弹系统中的小型动能导弹(CKEM),其壳体采用了T1000碳纤维/环氧复合材料,使发动机的质量比达到0.82。美国的战略导弹“侏儒”三级发动机壳体，“三叉戟”一、二、三级发动机壳体的复合材料裙，民兵系列发动机的喷管扩张段，部分固体发动机及高速战术导弹，例如美国的THAAD、ERINT等。从二十世纪六十年代末开始，航天领域中以S玻纤和Kevlar-49纤维复合的金属内衬轻质压力容器逐渐取代传统的全金属压力容器。美国在1975年开始了轻质复合材料气瓶及储箱研制，采用S-玻纤/环氧、Kevlar/环BADCy/E-51/线性酚醛树脂氧缠绕复合材料。随着碳纤维性能提高及成本大幅度下降，碳纤维与低成本铝内衬制造技术相结合，使得费用低、质量轻、性能高、可靠性好的高压容器的生产成为现实。表2是美国SCI(Structural Composites Industries)生产的两种金属内衬碳纤维缠绕压力容器材料及性能比较情况。由表2看出,目前空间用复合材料基体主要采用环氧树脂。

 

此外，国外以复合材料取代金属制造空间飞行器(卫星、空间站、航天飞机等)构件目前已取得一定程度的应用。表3是国外复合材料在空间飞行器上的一些应用情况[18~20]。

 

由于碳纤维的密度、耐热性、刚性等方面的优势，增强纤维以碳纤维为主。碳纤维复合材料在空间技术上的应用，国内也有成功范例，如我国的第一颗实用通信卫星应用了碳纤维/环氧复合材料抛物面天线系统；第一颗太阳同步轨道“风云一号”气象卫星采用了多折叠式碳纤维复合材料刚性太阳电池阵结构等。

随着航空航天工业的迅速发展，对材料的要求也日益苛刻，一个国家新材料的研制与应用水平，在很大程度上体现了一个国家的国防和科研水平，因此许多国家都把新材料的研制与应用放在科研工作的重要地位。

 

为了适应航空航天领域日益苛刻的要求，通用环氧树脂已不能满足要求，世界各国都在致力于开发各种高性能环氧树脂，以便于开发同高性能增强材料（如芳纶、碳纤维等）相匹配的树脂体系。

 

但总结起来，大都是在保证环氧树脂优异的工艺性的前提下，实现环氧树脂的多官能化，以改善其固化物的耐热性和粘接性。比较常用的有4，4‘-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺（TGDDM），鉴于性能价格比，它可能是最实用的高性能环氧树脂。它具有优良的耐热性，长时高温性能和机械强度保持率，固化收缩低，化学和辐射稳定性好，还可用于高性能结构胶粘剂，结构层压板和耐高能辐射材料，全球许多学者从事TGDDM环氧体系的研究与开发工作，并取得了较大成绩。

 

特别值得指出的是，我国科技工作者经多年研究，开发了商品名为TDE-85的三官能团环氧树脂，其化学名为4，5-环氧己烷-1，2-二甲酸二缩水甘油酯，其分子中含有两个反应活性高的缩水甘油酯基和一个反应活性与前者差别很大的脂环环氧基。该树脂是一种工艺性、耐热性均很优异的高性能环氧树脂，西北工业大学、哈尔滨玻璃钢研究所等单位用TDE-85环氧树脂为基体材料制作的复合材料，应用在某些有特殊需要的产品上已获得令人满意的结果。

以碳纤维为增强剂的先进树脂基复合材料是航空航天工业中最重要材料之一。飞行器减重仍然是今后面临的关键问题。此外，对包括飞行器在内的许多国防装备的隐身也是需要解决的另一关键问题。因此，对先进复合材料，不仅要求其具有高的比强度、比模量和韧性，而且要求具有隐身性能，即兼有结构及功能性能。发展先进复合材料关键之一是开发综合性能优异的树脂基体。目前研究树脂基体主要目标是：

 

a. 高韧性的树脂基体，如复合材料的冲击后压缩强度(CAl)>300 MPa的树脂基体。

b. 具有高透波率的树脂基体，其tan&约0.3× 10-2。

c. 吸收雷达波的树脂基体。

d. 耐热300℃以上的树脂基体。

e. 适用于RTM等新型工艺的树脂基体。

 

其中，a、b、d和e已研制成功，但我国尚有一定差距。c仍为空白。研究和开发树脂基体的途径是以原有树脂改性为主，合成新品种并重。

 

环氧树脂由于性能优异,数十年来一直是火箭发动机壳体用复合材料树脂基体的主体,预计今后相当长时间内仍将如此.这些年来曾经历过刚性环氧-柔性环氧-刚性环氧的再认识过程,但居主导地位的一直是刚性双酚A二缩水甘油醚的环氧混合物。环氧树脂的固有缺点是耐冲击损伤能力差,耐热性能也较低(小于170℃),火箭发动机在高速下飞行,外表面必须良好绝热,以防御气动加热影响,这样则加大了发动机的惰性质量。多年来各国都在努力改进环氧树脂性能,例如提高韧性或耐热性，以不断提高发动机的性能。许多研究工作表明环氧树脂改进仍有很大潜力。

 

80年代又兴起用耐热性强韧性热塑性树脂来增韧环氧树脂。这些热塑性树脂本身具有良好的韧性，而且模量和耐热性较高，作为增韧剂加入到环氧树脂中同样能形成颗粒分散相，它们的加入使环氧树脂的韧性得到提高，而且不影响环氧固化物的模量和耐热性。但热塑性树脂的加入，往往导致体系的粘度增大，且增韧的效果在一定范围内随添加量增大而增大，这给这类树脂的工程应用带来了诸多难题，尤其是诸如火箭发动机壳体的缠绕成型工艺，但热塑性树脂还是一种很有前途的环氧增韧剂。

 

近年来发展了用耐热性高、力学性能良好的热塑性工程塑料来增韧热固性树脂，如聚醚砜、聚碳酸酯、聚醚醚酮和聚酰亚胺。从而在不降低体系的玻璃化温度、强度和硬度等优点的情况下改善高交联体系的韧性。八十年代初首次报道用Ultem1000a聚醚酰亚胺(PEI)改性环氧树脂的研究。李善君等合成了一系列与环氧树脂具有良好相容性的结构新颖的可溶性聚醚酰亚胺PEI。在Epon-828和TGDDM环氧树脂体系中取得了非常优异的增韧效果。材料断裂能提高5倍,模量和玻璃化温度维持不变。以少量组分的聚醚酰亚胺PEI构成网状连续相而形成了“双连续”和“相反转”的相结构。因此控制体系的相结构成为制备高性能复合材料基体树脂和粘合剂的重要手段。在此基础上，深入开展了新颖聚醚酰亚胺对热固性树脂的增韧改性研究[23~27]。通过对聚合反应诱导相分离规律的研究和应用，研究固化反应和相分离速度的各种影响因素，了解相分离所遵循的动力学模型，控制分相条件，成功获得了高强度耐热性能优良的、能适用于航空航天工业的高性能基体树脂。

 

液晶聚合物（LCP）中都含有大量的刚性介晶单元和一定量的柔性间隔段，其结构特点决定了它的优异性能。它在加工过程中受到剪切力作用具有形成纤维状结构的特性，因而能产生高度自增强作用。TLCP增韧环氧树脂的机理主要为裂纹钉锚作用机制。少量TLCP原纤存在可以阻止裂纹发展，提高了基体的韧性，而材料的耐热性及刚度则基本不损失。随着研究的进展，热致性液晶聚合物增韧环氧树脂作为一种新的技术，必将在工程应用中发挥重要的作用。

 

复合材料正在迅速发展成为航天航空工业的基本结构材料。高性能聚合物基复合材料在航空航天工业的用量占其全部用量的80%。由于碳纤维具有高比强度、比模量、低热膨胀系数和高导热性等独特性能，因而由其增强的复合材料用作航空航天结构材料，减重效果十分显著，显示出无可比拟的巨大应用潜力。

 

碳纤维增强树脂基复合材料用做航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。在火箭和导弹上使用碳复合材料减重效果十分显著。因此,采用碳纤维复合材料将大大减轻火箭和导弹的惰性重量，既减轻发射重量又可节省发射费用或携带更重的弹头或增加有效射程和落点精度。人造卫星展开式太阳能电池板多采用碳复合材料制作。随着碳纤维和基体树脂性能的不断提高,碳纤维增强树脂基复合材料的耐湿热性和断裂延伸率得到显著改善和提高。在飞机上的应用已由次承力结构材料发展到主承力结构材料,拓宽了在飞机工业中的应用。

 

新型隐身材料对于飞机和导弹屏蔽或衰减雷达波或红外特征，提高自身生存和突防能力，具有至关重要的作用。在雷达波隐身材料方面，除涂层外，复合材料作为结构隐身材料正日益引起人们的关注，主要为碳纤维增强热固性树脂基复合材料（如C/EP、C/PI或C/BMI）和热塑性树脂基复合材料（如C/PEEK，C/PPS），目前已经得到某些应用。

 

国内大飞机复合材料现状、问题与方向

 

当然与军机相比，民机还可以采用国际采购的方式来弥补技术上的差距，如飞机发动机、部分机载设备、零部件和材料都可以采用这种方式。但是民机制造中仍有许多东西是用钱买不来的，如飞机的总体设计能力，尤其是集成能力得靠经验上的累积。又如电传操作，这是核心技术，空客在这个方面已比较成熟，波音777也采用了电传操作技术，其中有些还是光传技术，这种技术人家是不会卖给我们的，只有靠自己研发。

 

据了解，现在国产化的T300飞机复合材料正在研制之中，可望不久能投入批量生产，以替代目前进口的T300。在复合材料的制造工艺上，国内的一些主要飞机厂也正在加快更新设备。如西飞，其应用飞机复合材料的主要设备热压罐原来的最大直径为3.5米，现在准备上直径六米的热压罐。国内航空产品制造业中少数能够依托自主研发, 引进、消化国际先进技术,实现产品国际取证和销售的生产企业。

 

哈飞股份与空中客车公司共同在组建合资制造中心, 生产A350XWB宽体飞机项目的复合材料零部件, 正式切入全球飞机制造产业链中.并向空中客车公司成功交付第一架份复合材料机体结构件, 此举不但标志着哈飞股份已成为空中客车公司合格供应商之一，重要的是，在中国自主研发制造的大飞机中，哈飞股份的复合材料必将得到更大规模的运用，公司的复合材料制造面临飞跃，从而使公司的发展空间更加广阔。

 

航空制造业战略机遇空前。飞机制造业是巨大的系统工程，是基础科学和制造业企业通力合作的结果，哈飞股份拥有除军机的军械加装和试飞以外的较完整的业务链.几十年生产军、民用直升机，轻型及支线固定翼飞机研制,参与国际航空的转包产品生产都为公司参与到大飞机项目中做好了一定的技术储备。除生产和销售直9系列, HC120,EC120机身,运12等产品外,另外3个长期投资单位涉及的方向则是民用支线飞机以及中型民航客机的研制生产, 其中安博威公司主要生产销售50座级涡扇ERJ145支线飞机, 该机型采用当代先进的涡轮风扇发动机和集成化航空电子设备, 其安全性,舒适性和各项性能指标不亚于大型干线飞机,目前该系列飞机全球销售量已超过700架, 2006年所签大单生产任务排到2010年。公司在原有的制造直升机和中型飞机(ERJ145支线飞机)所取得的技术储备和经验是使公司在参与到大飞机项目时更具优势。

 

技术问题一直是我国发展大型客机的最基本问题。近年来虽然有些关键技术获得了突破，但是大型客机的整机研制能力与世界先进水平相比仍是全方位的差距，尤其是波音、空客新的机型大规模采用复合材料后，大型客机的研制能力又一次与世界先进水平拉开了距离。民机技术储备极少。由于历史的原因，我国民机在技术上投入非常少，民机的技术储备更少。原上航集团党委书记潘继武说，尤其是我国的民机在实践上停滞了很多年后，飞机设计的参数、定值积累极少，民机设计能力相对较弱，在技术上突破需要花费很多力量。

 

西安飞机工业(集团)有限责任公司(简称西飞)、第一飞机设计研究院、中国飞行试验设计研究院三家曾共同完成了一份资料，对本世纪初我国飞机的研制能力做出了一个详细的评估。这份资料称，我国飞机设计水平与国际水平相比差距约20年。在超音速巡航技术、喷管矢量技术、高推重比技术及无人驾驶控制技术等方面都有一定差距，综合设计能力也低，设计实践经验欠缺，设计规范落后。在飞机制造技术方面，与世界飞机制造加工基地相差10至20年，如数控效率只有波音的1/8。

 

更让人焦虑的是，随着近年来复合材料在飞机上的大量应用，我国民机研制的能力有进一步与世界先进水平拉开的危险。

 

飞机上的复合材料主要是指碳纤维的复合材料。以前国际上的大型客机采用的材料都是以先进铝合金为主，飞机的设计、制造都建立在这种材料基础上。以波音777为例，其机体结构中，铝合金占到70%、钢11%、钛7%，复合材料仅占到11%，而且复合材料主要用于飞机辅件。但到波音787时，复合材料的使用出现了质的飞跃，不仅数量激增，而且开始用于飞机的主要受力件，现在波音787的复合材料用量已占到结构重量的50%。

 

飞机结构件大规模使用复合材料，是现代飞机制造史上的一次革命性变化。它使飞机重量更轻、强度更高、耐疲劳耐腐蚀性更好，而且复合材料中的高强度碳纤维进行大规模工业化生产后，可以使飞机的制造成本更低。同时在计算机技术、激光、C扫描等先进科技的支持下，复合材料制造飞机结构件的质量能够更加可靠地保证飞机的安全性。根据波音和空客公开的研究资料表明，到2020年它们的飞机将全部采用复合材料。

 

而我国目前仅掌握金属飞机的研制能力，复合材料只能少量地用在飞机辅件上，在主结构上的应用还需要进一步预研。这就好比是空客、波音已经能用钢筋水泥造房子，而我国仅掌握全套的用“秦砖汉瓦”造房子的办法，现在才开始学着使用钢筋水泥。更要命的是，用于飞机的复合材料我国现在还需要进口，尤其是像T800这样广泛应用的飞机复合材料我国还不会生产。

 

我国进行大型客机的研制，面临的技术困难是巨大的。在日趋激烈的航空市场上，没有技术领先、具有竞争力的飞机，即使生产出来了，也无法占据市场。在波音和空客用复合材料飞机替代金属飞机的大背景下，我国要研制大型客机，只有迎头赶上，生产出与之抗衡的飞机才行，这需要广大技术人员付出更多的努力。

 

目前国内的飞机专家都已认识到了这个问题，一批专家已提前进行飞机的预研。据中国航空工业第一集团公司科技委副主任冯培德透露，现在已有上亿元的经费投入到预研中，其中就包括材料。

 

“冰冻三尺，非一日之寒”，我国民机技术全方位地落后于欧美国家，是由于多方面的因素造成的，其中主要有三个：一是由于我国民机的型号研制频度太低，无法有效积累大量数据；二是由于民机生产至今还没有相关的研究所，民机直到现在还没有转向研究开发型；三是我国科技转化生产力水平较低，与欧美航空工业相比，我国航空企业还没有成为真正的科技转化生产力的主体，科技转化生产力体制机制的最佳模式还没形成。

 

我国现在开始抓飞机复合材料的预研，当然有利于缩小与世界先进水平的差距。但是从长远来看，要从根本上解决我国民机技术上的差距，还得从解决我国民机技术长期落后的三个原因做起，即要加大民机研制的频度、成立专门的民机研究所、建立科技转化生产力体制机制的航空工业最佳模式。高性能树脂基体及其改性是我们树脂行业的责任和义务。努力做好这方面的研发和产业化才能使我们从一个生产消费大国变成真正的生产消费强国。

 

碳纤维增强复合材料在航空航天领域的应用研究

 

航空航天工业是现代科技领域的重要组成部分，对材料的性能和质量要求极高。传统金属材料在航空航天领域存在着密度大、强度低、腐蚀易、疲劳寿命短等问题，不足以满足航空航天领域对材料的要求。

 

因此，寻求新型轻质、高强度、高性能材料成为了航空航天领域的研究热点。

 

碳纤维增强复合材料是一种由碳纤维和树脂基体组成的复合材料，具有密度低、强度高、疲劳寿命长、抗腐蚀性好等优点，广泛应用于航空航天领域。

 

本文将从碳纤维增强复合材料的制备方法、性能特点和应用研究等方面进行综述，旨在深入了解碳纤维增强复合材料在航空航天领域的应用现状和未来发展趋势。

碳纤维增强复合材料的制备方法

 

碳纤维增强复合材的制备方法多种多样，常见的包括预浸料法、层压法、纺织法、自动化制备等。

 

预浸料法：预浸料是一种在生产过程中将树脂浸渍到碳纤维上形成的半成品。该方法通常采用高性能树脂浸渍碳纤维，并在预先设定的温度和压力下固化，形成具有预定形状和性能的复合材料。

 

预浸料法制备的碳纤维增强复合材料具有优异的性能，广泛应用于航空航天领域的结构件制备。

 

层压法：层压法是将预先处理的碳纤维和树脂片层间交替叠压，然后在高温和高压下进行固化。这种方法简单、灵活，适用于小规模、复杂形状的复合材料制备。层压法制备的碳纤维增强复合材料广泛应用于航空航天领域的机身、翅膀、襟翼等结构件。

 

纺织法：纺织法是将碳纤维以纱线或布料的形式编织或织造成预定形状，然后通过浸渍树脂、固化和加热处理形成复合材料。这种方法可以制备复杂形状和大尺寸的复合材料结构件，适用于航空航天领域的大型结构件制备。

 

自动化制备：随着科技的发展，自动化制备碳纤维增强复合材料的技术不断提高。例如，自动化制备采用机器人、自动化生产线等设备，可以实现碳纤维的自动剪裁、堆叠、浸渍和固化，从而提高生产效率和产品质量。

 

碳纤维增强复合材料的性能特点

碳纤维增强复合材料具有许多优异的性能特点，使其在航空航天领域得到广泛应用。

 

轻质高强：碳纤维增强复合材料的密度约为金属的1/4，但其强度却相当于或甚至超过许多金属材料。这使得碳纤维增强复合材料成为一种轻质高强的材料，可以承受高强度、高速度和高温等极端环境下的应力，特别适合航空航天领域的要求。

 

良好的耐腐蚀性：碳纤维增强复合材料具有良好的耐腐蚀性，不会受到酸、碱、盐等化学物质的侵蚀，也不会受到氧化和腐蚀的影响。这使得碳纤维增强复合材料在航空航天领域中可以应对复杂的化学和环境条件，保持长期稳定的性能。

 

高温性能优越：碳纤维增强复合材料在高温环境下表现出优越的性能。它们具有较低的热膨胀系数和高的耐热性，能够在高温下保持较好的尺寸稳定性和力学性能，适合在航空航天领域中应用于高温结构件，如航空发动机零部件。

 

良好的疲劳性能：碳纤维增强复合材料在疲劳加载下表现出较好的性能，具有较高的疲劳寿命和抗疲劳裂纹扩展能力。这使得碳纤维增强复合材料在航空航天领域中可以应对循环加载、振动和冲击等复杂的力学环境，具有较好的可靠性和耐久性。

 

优异的机械性能：碳纤维增强复合材料具有优异的强度、刚度和韧性，具有较高的屈服强度、断裂韧性和拉伸强度。这使得碳纤维增强复合材料在航空航天领域中可以应用于高强度、高刚度和高韧性要求的结构件。

碳纤维增强复合材料在航空航天领域的应用研究

航空航天结构件：碳纤维增强复合材料在航空航天领域中被广泛应用于飞机机身、机翼、舵面等结构件。由于其轻质高强的特性，可以有效减轻飞机结构的重量，提高飞机的燃油效率和航程。

 

航空发动机零部件：碳纤维增强复合材料在航空航天领域中还被广泛应用于航空发动机的零部件，如叶片、导向叶片、燃烧室等。

 

航空发动机对材料的要求非常严格，需要具有优异的高温性能、耐腐蚀性和高强度，以应对高温、高压和腐蚀等恶劣环境。碳纤维增强复合材料可以满足这些要求，并且具有较低的密度，有助于减轻发动机重量，提高发动机的效率和性能。

 

笔者观点：

碳纤维增强复合材料在航空航天领域的应用主要集中在飞机结构件、航空发动机零部件、航电系统和热防护结构等方面。在这些应用中，碳纤维增强复合材料表现出了明显的优势，包括轻质高强、耐疲劳性能好、高温性能优越等特点。

 

参考文献：

1.李明, 邱士华. 碳纤维增强复合材料在航空航天领域中的应用研究[J]. 材料导报, 2018, 32(1): 191-196.

2.程卫, 李东方, 徐建国. 碳纤维复合材料在航空航天领域应用研究进展[J]. 航天材料与工艺, 2017, 47(4): 7-11.

航天透波复合材料应用及发展

 

关于航天透波复合材料

航天透波材料是广泛应用于各种航天器通信系统的一种结构/功能一体化材料。在飞行器中，透波结构按照应用部位的不同，主要分为天线罩与天线窗两大类。天线罩/天线窗既是飞行器的结构件，又是无线电寻的制导系统的重要组成部分；既要承受飞行器在飞行过程中的气动载荷、气动热等恶劣环境，又要作为发射和接收电磁信号的通道，保证其与外界的正常通信。因此，研制和开发高性能航天透波材料，对于航天制导系统的发展具有重要意义。

 

氮化物陶瓷基复合材料是目前航天透波领域研究的热点和重要方向之一。在陶瓷基体中引入第二相复合形成陶瓷基复合材料，可以在保留单体陶瓷低密度、高强度、高模量、高硬度、耐高温、耐腐蚀等优点的基础上，明显改善单体陶瓷的本征脆性，提高其损伤容限，从而增强抗力、热冲击的能力，还可以赋予单体陶瓷新的功能特性，呈现出“1+1>2”的效应。以碳化硅(SiC)纤维为代表的陶瓷纤维在保留单体陶瓷固有特性的基础上，还具有大长径比的典型特征，从而呈现出比块体陶瓷更高的力学性能以及一些块体陶瓷不具备的特殊功能，是一种非常适合用于对单体陶瓷进行补强增韧的第二相增强体。因此，陶瓷纤维和陶瓷基复合材料已经成为航空航天、武器装备、能源、化工、交通、机械、冶金等领域的共性战略性原材料。

 

制备技术的研究一直是陶瓷纤维与陶瓷基复合材料研究领域的重要内容。1976年，日本东北大学Yajima教授通过聚碳硅烷转化制备出SiC纤维，并于1983年实现产业化，从而开创了有机聚合物制备无机陶瓷材料的新技术领域实现了陶瓷材料制备技术的革命性变革。多年来，由于具有成分可调且纯度高可塑性成型、易加工、制备温度低等优势，陶瓷先驱体转化技术已经成为陶瓷纤维、陶瓷涂层、多孔陶瓷、陶瓷基复合材料的主流制备技术之一，受到世界各国的高度重视和深入研究。

 

20世纪80年代初，国防科技大学在国内率先开展陶瓷先驱体转化制备陶瓷纤维与陶瓷基复合材料的研究，并于1998年获批设立新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室(简称CFC重点实验室)。三十多年来，CFC重点实验室在陶瓷先驱体设计与合成、连续SiC纤维、氮化物透波陶瓷纤维及复合材料纤维增强SiC基复合材料、纳米多孔隔热复合材料、高温隐身复合材料等方向取得一系列重大突破和创新成果，建立了以先驱体转化技术为核心的陶瓷纤维和陶瓷基复合材料制备技术体系。这些成果原创性强，丰富和拓展了先驱体转化技术领域的内涵，为我国新一代航空航天飞行器、高性能武器系统的发展提供了强有力的支撑。

 

透波材料的应用背景

航天透波材料是一种保护航天飞行器在恶劣环境中通信、遥测、制导、引爆等系统正常工作的多功能介质材料，在运载火箭、空天飞机、导弹及返回式卫星等领域有着广泛的应用。天线窗和天线罩是两种常见的航天透波材料结构件，如图1.3所示。其中，天线窗一般位于飞行器的侧面或者底部，采用平板或带弧面的板状结构，是飞行器电磁传输和通信的窗口，对飞行器的飞行轨迹控制及跟踪至关重要。天线窗的位置通常不会处在最恶劣的热力环境中，因此相对于天线罩，其对性能的要求并不十分严苛。天线罩位于导弹头部，多为锥形或半球形，它既是弹体的结构件，又是无线电寻的制导系统的重要组成部分，是一种集承载、导流、透波、防热、耐蚀等多功能为一体的结构/功能部件。

 

随着航天技术、新材料技术的不断进步和现代战争模式的变革，新型高马赫数导弹及作战飞行器朝着高速飞行、精确制导、远程打击、末段机动的方向发展。作为制导系统的关键组成部分，高性能天线罩/天线窗的设计、选材与制备成为新型制导武器研制的瓶颈之一。

高马赫数导弹及飞行器在高速飞行过程中，将会受到强烈的气动载荷和剧烈的气动加热，其制导系统的关键部件一一天线罩/天线窗将面临极为恶劣的工作环境。例如，当远程弹道导弹再人大气层时，天线置承受严重的高温高压、噪声、振动、冲击和过载；高速可重复使用飞行器天线窗则面临长时间的持续气动加热和冲刷，以及可重复使用的苛刻要求:在恶劣的工况下，天线罩/天线窗还需实现电磁信号的高效传输，以满足制导与控制的要求。因此，研制具有耐高温、抗烧蚀、高强度、低介电、低损耗、易成型、高可靠性能的透波材料，对新型导弹与作战飞行器的发展具有重要意义。

透波材料的基本要求

航天透波材料是一种结构/功能高度一体化的材料，必须具备良好的综合性能。高马赫数导弹和飞行器透波部件对材料的性能要求主要包括电学性能、力学性能、抗热震性能和耐热性能、抗粒子侵蚀性能以及可加工与稳定性等，具体如表1.1所示。

透波材料的发展历程

世界各军事强国在航空航天复合材料领域的研发投入持续增加。透波材料是研制高性能精确制导飞行器的关键材料之一，其发展历程与航空航天技术的不断进步密切相关。

 

最早应用于飞行器的天线罩可追溯到第二次世界大战时期。1941年，美国制备了应用于波音B-18A飞机上的雷达天线罩，飞行速度低，对材料的抗烧蚀性能要求不高，因此采用了有机玻璃材料。在此基础上，美国于20世纪50年代初采用E玻璃纤维增强不饱和聚树脂制备了“波马克”天线可用于马赫数3主动寻的制导导弹。

 

现代战争中攻防双方的节奏不断加快，要求导弹具有更高的飞行速度和机动性，导弹的气动加热环境变得更加苛刻。有机材料具有较差的耐热性，因此不适用于高马赫数的导弹。相比之下，一些陶瓷材料凭借其自身的高熔点(升华点)、良好的高温力学性能、优异的介电性能等逐渐成为高马赫数导弹天线罩的首选材料。近年来，针对单相陶瓷材料普遍存在的韧性差、可靠性不高的缺点人们又对各种陶瓷材料进行优化设计，通过各种增韧方法制备出性能更加优异的陶瓷基复合材料，适用于制备高超声速的导弹天线置/天线窗。

综上所述，天线罩/天线窗透波材料的发展经历了一个从有机材料到陶瓷材料，从单相陶瓷材料到陶瓷基复合材料的过程(图1.4)。

增材制造：面向航空航天制造的变革性技术

 

增材制造技术在航空航天应用方面具有单件小批量的复杂结构快速制造优势，未来将向着设计、材料和成形一体化方向发展。分析了增材制造在航空航天领域应用发展的3个层面，以航空发动机涡轮叶片增材制造、高性能聚醚醚酮（PEEK）及其复合材料、连续纤维增强树脂复合材料及太空3D打印为主题，介绍了增材制造技术国内外以及西安交通大学的研究状况。涡轮叶片应用增材制造工艺可以有效提高效率降低成本，未来向高性能的高温合金和陶瓷基复合材料增材制造技术发展。高性能轻质聚合物PEEK及其复合材料增材制造在高力学性能结构件、吸波功能件的成形中得到应用，将改变现有的设计与材料，推动结构与功能一体化发展。连续纤维复合材料增材制造将带动无模具纤维复合材料成形的新发展，在太空3D打印将改变未来航空航天制造模式。增材制造技术将给航空航天制造技术带来变革性发展。

 

增材制造技术是一种相对于传统的冷加工和热加工的特种制造技术，其具有单件小批量的复杂结构快速制造优势，在航空航天领域具有广泛的应用前景。这一技术能够解决传统制造技术难以完成的复杂结构制造。随着增材制造技术在航空航天领域应用的深入，设计、材料和成形一体化将成为新一代的制造模式，引领航空航天技术的变革发展。

 

增材制造技术在航空航天领域的应用，主要体现在3个层面。

 

第1个层面传统设计方法和材料体系采用增材制造技术进行构件制造，这是目前的主要研究和应用模式，这个层面重点解决的问题是材料工艺稳定性、成形组织的缺陷和性能提升、成形精度控制等问题，并通过与现有工艺的结合来推进应用，例如增材、减材、锻造等多工艺复合提升精度和力学性能。

 

第2个层面是面向新的结构设计采用增材制造技术，例如GE公司在航空发动机喷油嘴采用增材制造技术，改变原有基于机械切削工艺的的结构设计体系，将过去的30多个零件装配的复杂结构，改为一个整体结构，采用增材制造一次整体完成具有内腔结构的喷油嘴制造，这一方法从根本上变革了发动机喷油嘴的设计制造理念，使得结构变小、节能效益增加、性能可靠稳定。

 

第3个层面是采用新的功能材料与结构一体化增材制造实现更多新的功能，可以使航空航天技术在轻质、特种性能和特殊环境下的结构制造提供新方法，例如连续纤维复合材料制造、太空环境下的制造等。增材制造技术要不断解决工程应用所面临的制造质量问题，更应该有效的利用增材制造技术原理，从设计、材料、成形一体化出发，深入挖掘技术应用，推进增材制造技术在航空航天领域的创新发展。

 

在航空航天领域，航空发动机和轻量化功能结构是重点和难点领域。面对的未来发展的更高需求航空发动机叶片是一个最为关键的部件，其具有极端的高温性能和复杂的冷却结构要求，是制约航空发动机发展的难点。航空结构件是航空航天的主体结构，其未来向着轻质高性能发展，高性能聚合物、纤维复合材料、吸波隐身复合材料是需要探索的方向。本文重点围绕以上方向论述航空航天领域增材制造国内外发展和西安交通大学的研究进展。

 

1 航空发动机涡轮叶片成形技术

 

随着航空发动机对推重比需求日益增长，涡轮进口温度从第三代发动机1700K提高到第五代2000K以上。为保证涡轮叶片承温能力，高温合金材料由等轴晶发展至单晶，内部冷却结构由单一对流气冷转变为双层壁超气冷，气膜孔结构由简单圆柱型转化为复杂异型，由此对现有涡轮叶片制造技术提出严峻挑战。现阶段，国内外主要采用熔模铸造技术制造航空发动机空心涡轮叶片。该技术通过金属模具压制型芯、型芯装配、压制蜡型、挂浆制壳、精密铸造等10个主要环节，获得金属涡轮叶片。在大批量生产涡轮叶片时，熔模铸造工艺适用性强；但对于含有新型冷却结构涡轮叶片的研制，由于铸型制备过程涉及多套工装模具，流程复杂，装配误差大，工艺控制难度大，导致叶片研制周期长(通常至少6个月以上)，响应慢，制造成本高。

 

1.1 型芯/型壳一体化铸造技术

增材制造引入涡轮叶片铸造成形领域，可大大降低结构复杂度的限制，实现型芯/型壳的无模化制备，为空心涡轮叶片快速制造提供新途径。目前空心涡轮叶片陶瓷铸型直接成形的AM技术主要有选区激光烧结和陶瓷光固化成形。北京航空材料研究院、华中科技大学等科研院所开展了相关的研究，并在航空领域得到初步验证，一定程度上推动了涡轮叶片制造技术的发展；但是，SLS铸型表面质量和尺寸精度以及高温性能有待提高，以满足空心涡轮叶片近净成形的苛刻技术要求。而CSL技术成形陶瓷素坯精度较高，在涡轮叶片铸型制备方面具有潜在应用价值。美国佐治亚理工大学及密西根大学安娜堡分校研究了基于CSL技术的涡轮叶片铸型成形工艺，实现了型芯/型壳一体化陶瓷铸型的制备。研究表明：采用该技术可制备复杂结构陶瓷铸型，但存在精细结构陶瓷浆料清理困难的问题，引起微细陶瓷型芯的结构完整性容易破坏；并且，高温烧结后铸型的精度误差较大，烧结收缩率通常达到10%以上。

 

为此，西安交通大学提出型芯/型壳一体化涡轮叶片快速制造技术。该技术以光固化树脂原型代替传统熔模铸造蜡型，采用型芯/型壳一体化凝胶注模代替传统型壳的挂浆制备和型芯的压制成形，实现型芯/型壳的一次成形，用于空心叶片的铸造。技术路线如图 1所示，主要包括：树脂原型的光固化成形、凝胶注模、冷冻干燥、烧结和精密铸造等。较之CSL技术，此方法制备的铸型精度更高，性能更加稳定，满足定向晶/单晶叶片对铸型高温性能的苛刻需求。

图 1 基于型芯/型壳一体化铸型的涡轮叶片快速成形技术

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

 

西安交通大学在型芯/型壳一体化涡轮叶片快速成形技术在陶瓷铸型制备、铸型中高温力学性能调控、全流程叶片精度控制等方面取得了突破，实现了多种型号空心涡轮叶片的快速研制，取得了以下技术进展。

图 2 型芯/型壳一体化陶瓷铸型

Fig. 2 Integrated core/shell ceramic mold

 

1) 建立了基于光固化3D打印的空心涡轮叶片型芯/型壳一体化铸型快速制备技术体系。该技术改变了传统叶片制造需要型芯模具、型芯/型壳组合的复杂流程，受结构复杂程度的限制大大降低，可为新型气冷叶片的内腔复杂冷却流道提供更大的设计自由度。并且，铸型壁厚可准确调控，通过调节散热条件来实现叶片柱状晶/单晶组织的控制。该技术还可以用于复杂异型气膜孔等新型冷却结构的整体铸造成形，推进涡轮叶片数字化精确控形控性。

 

2) 空心涡轮叶片型芯/型壳一体化陶瓷铸型中高温力学性能调控技术。研究提出以有机陶瓷前驱体进行一体化铸型中温强化的方法，有效保证了铸型焙烧后的结构完整性。建立了基于莫来石高温强化的材料体系，可实现1 500 ℃下高温抗弯强度8~34.9 MPa可调控，分别满足不同尺寸等轴晶、定向柱晶、单晶叶片的凝固要求。

 

3) 型芯/型壳一体化空心涡轮叶片全流程精度控制技术。研究通过雾化覆膜技术，解决了光固化树脂原型表面台阶效应，提升了光固化原型内外表面质量(表面粗糙度优于3.2 μm)。通过真空冷冻干燥工艺方法，可有效抑制铸型干燥开裂，解决了厚大陶瓷坯体干燥的难题，实现了铸型湿坯的无缺陷快速干燥，并将干燥效率提升2~3倍。提出了一体化铸型型芯烧结重心面概念，解决了细长悬臂型芯烧结变形的问题，并构建了“近零烧结收缩”材料体系与烧结工艺，将铸型烧结收缩率控制在0.1%内，实现了空心涡轮叶片精确成形(关键尺寸误差低于0.1 mm)，实现了叶片的高精度制造。

 

针对传统熔模铸造技术中涡轮叶片研制周期长、工艺复杂、成本高、响应慢等问题，将高精度光固化成形与精密铸造结合，发明了型芯/型壳一体化涡轮叶片快速成形技术，可实现复杂结构空心涡轮叶片中小批量的快速制造，图3为基于本技术成形的空心涡轮叶片。较之熔模铸造工艺，该技术在新型号、复杂结构空心涡轮叶片的研制中具有显著优势，可缩短空心涡轮叶片研发周期60%~80%，节约研发成本60%以上，并有利于涡轮叶片尺寸精度的调控。此外，该技术也可延伸至双层壁结构叶片、异型气膜孔、机匣的快速制造。

图 3 基于型芯/型壳一体化技术的空心涡轮叶片

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

 

1.2 难熔高熵合金增材制造技术

耐高温材料及其制造工艺是航空发动机发展的关键环节。美国多用途先进涡轮发动机计划(VAATE)、欧洲先进核心军用发动机计划(ACME)等相继推行，其定义了未来第五代推重比15~20的高性能航空发动机，涡轮前进口设计温度将达到2 200 K以上。难熔高熵合金具有耐高温、高强度、高硬度、抗辐照性能佳的特点，在航天航空领域、核工业领域、生物医学领域均有巨大应用前景。增材制造技术利用高能能量源将材料逐点熔化，逐层堆积，直接成形。凭借加工周期短，生产效率高，复杂构件快速成型的特点，为极端应用环境下难熔高熵合金复杂结构制造提供了可能性。因此由高熔点元素构成的难熔高熵合金及其增材制造在未来航空航天工业中有巨大应用潜力。

 

激光增材制造以高能率激光束为能量源，熔化制备高熵合金不仅可以实现高强度和高延性的完美结合，不需要传统的真空熔炼设备，而且有制造更大、更复杂、可用于工程应用的耐高温高熵合金零件的潜力，也体现出材料基因组研究的作用。目前选择性激光熔化制备高熵合金研究主要集中在优化工艺、改善材料性能等方面。

 

2015年，英国谢菲尔德大学的Brif等采用选择性激光熔化制备了FeCoCrNi高熵合金，晶粒在巨大的温度梯度和快速凝固共同作用下得到细化，屈服强度达600 MPa，是真空电弧熔炼样件的3倍以上，在Hall Petch效应和单一固溶体的作用下FeCoCrNi高熵合金同时具有高强度和良好的延展性。研究结果表明SLM不仅能制备高熵合金，而且所得到的力学性能满足工程应用的需求。

 

2017年，德国亚琛工业大学的Haase等使用激光熔覆沉积制备了CoCrFeMnNi高熵合金，沉积的高熵合金密度高，无宏观偏析，化学均一性好，平均维氏硬度195HV5，压缩屈服强度260 MPa，优于常规热处理样件，证明了激光熔覆沉积技术用于高熵合金大批量样品生产的可行性。同时，Haase提出将平衡态合金相图和非平衡态Scheil方程相结合用于预测高熵合金的相组成和元素分布的合金设计理念。

 

2018年，新加坡制造技术研究院的Zhu等采用选择性激光熔化制备了近全致密的CoCrFeNiMn高熵合金，熔池、柱状晶粒、亚微米胞状结构和位错组成了分层结构，定量分析表明胞状结构通过位错强化提高了屈服强度(510 MPa)，并认为通过优化工艺参数、扫描策略和加工方向，可以进一步有效地提高材料的力学性能。

 

西安交通大学致力于增材制造难熔高熵合金的研究。采用激光选区熔化工艺，进行了NbMoTaW成型工艺以及性能的研究。制备了NbMoTaW合金试样，如图 4所示，并进行了的物相分析，结果表明NbMoTaW合金结构为单一的BCC相无序固溶体。NbMoTaW合金在高能率激光选区熔化过程中形成柱状晶，金属微熔池处于激冷(冷却速率103 K/s)条件下迅速冷却，得到了平均尺寸为20 μm的极小晶粒，同时W、Nb、Mo、Ta元素在高熵合金中均匀分布，无明显微观偏析，采用激光增材制造NbMoTaW高熵合金力学性能优于电弧熔炼等其他工艺高熵合金的性能。

图 4 选区激光熔化成型高熵合金样件

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

 

通过优化材料成分来调控成型样件的组织结构，以增加塑性相来改善增材成形性。获得NbMoTaX系高熵合金增材制造样件常温压缩强度达到2.3 GPa(图 5(a))，800 ℃时高温压缩强度达到1.0 GPa。相比于成分优化前的NbMoTa合金常温压缩性能提高了77.5%，高温压缩性能提高了230%，如图 5(b)所示。研究表明，形成的增材制造专用NbMoTaX高熵合金密度达到9.0 g/cm3以下，其部分高温性能超过传统高温合金(图 5(c))，通过大幅简化气膜孔，在力学性能及燃油效率上大幅优化，为下一代高温叶片材料和成形工艺提供变革性思路。

图 5 增材制造NbMoTaX系高熵合金性能特点

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

 

采用激光增材工艺成形难熔高温高熵合金过程中，由于材料熔点与基板温度梯度较大，结合面处热积累严重时，易产生如图 6所示的翘曲现象，严重影响合金性能。成型相同成分的样件时，仍需根据样件的大小以及形状复杂程度选用不同的工艺窗口，因此工艺窗口的通用性不强。图7采用相同材料成分、相同工艺窗口打印形状相同而大小不同的两个样件时，小样件没有裂纹而大样件出现了致命性的裂纹，因此难以实现大尺寸复杂结构高端部件的精密制造。难熔高熵合金选用的元素大都为高熔点元素，成型后形成单一的体心立方(BCC)相，BCC相对温度敏感，因此成型的样件塑性差，具有很低的延伸率。因此仍需通过材料成分的优化设计以及工艺窗口的优化来使难熔高熵合金真正走向市场。

图 6 选区激光熔化过程中高熵合金翘曲现象

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

图 7 采用相同材料以及工艺激光增材成型相同形状不同大小的涡轮叶片样件

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

 

1.3 陶瓷基复合材料涡轮叶片制造技术

 

为了提高推重比，未来先进航空发动机涡轮进口温度将高于2 000 ℃，远超过高温合金熔点，即使采用先进的冷却结构，现有的空心涡轮单晶叶片耐温性也难以满足超高温服役需求，而纤维增韧陶瓷基复合材料(CMC)具有高比强、耐高温等优势，克服了高温合金耐温差和密度大等缺点，是先进航空发动机热端部件的理想结构材料。以CMC材料替代高温合金制造航空发动机核心涡轮叶片，将使发动机的重量显著减小、工作温度提高，增加推重比，降低油耗；其次，CMC材料具有良好的高温损伤容限，可显著提高航空发动机的可靠性。因此，CMC涡轮叶片先进制造技术对未来先进航空发动机快速发展具有重要战略意义。

 

国外先进航空发动机代表性机构主要包括美国航空航天局(NASA)和通用电气航空公司(GE)、英国罗尔斯-罗伊斯公司(R-R)等，成功将碳化硅陶瓷基复合材料(SiC-CMC)应用于航空发动机低压涡轮叶片。其中，美国GE公司已在F414军用涡扇发动机上，验证了SiC-CMC低压涡轮动叶的耐高温与持久性能，并在GE-nx民用涡扇发动机高压涡轮叶片上开展了系列试验；GE公司研发的波音777X大型客机的GE-9X发动机，采用SiC-CMC低压涡轮转子叶片等，将发动机重量降低6%，极大提升了GE-9X发动机推力，燃油效率提高约10%；2017年，GE公司联合法国斯奈克玛公司，实现了LEAP发动机SiC/SiC-CMC热端静子部件的工程化应用。同时，美国NASA公司将涡轮叶片模型分解，以纤维编织成形骨架，然后通过组合装配、反应烧结等实现航空发动机热端部件的制造(图 8)，但CMC热端部件连接处耐温性较差，并且纤维编织精度较低，致密CMC热端部件需要大量后处理。由上可知：美国在先进航空发动机CMC涡轮叶片制造等领域已实现重大技术突破，并从简单结构、低温、静子部件转为复杂结构、高温、转子部件，彰显了SiC-CMC材料在未来军用和民用航空发动机的巨大应用潜力。SiC-CMC材料应用到高压涡轮转子叶片，成为未来先进航空发动机发展的必然趋势。近十多年，国防科技大学、西北工业大学以及北京航空材料研究院等少数机构，主要沿袭国外纤维编织技术，开展CMC涡轮叶片制造的研究，或者针对高性能纤维及其CMC材料制备进行了自主探索，取得长足进步，但国内商用航空发动机目前和将来相当时间内仍然依赖美国GE公司和英国R-R公司等先进代表性机构。

图 8 美国航空航天局(NASA)CMC涡轮叶片

Fig. 8 NASA CMC turbine blade

 

目前国内外航空发动机CMC涡轮叶片的制造，主要以纤维编织工艺成形增韧结构，再通过化学气相渗透技术实现碳化硅陶瓷基体的致密化，虽然具有纤维含量高、连续性好、力学性能佳等优点，但难以实现复杂结构数字化成形和组织性能调控(控形和控性)。随着增材制造技术的发展，显著减小了涡轮叶片结构设计的约束，从而为复杂SiC-CMC涡轮叶片的高性能制造提供了新思路。由此，西安交通大学提出航空发动机CMC涡轮叶片制造新方法，与现有国内外技术相比，可实现复杂结构涡轮叶片CMC材料制备/精密成形一体化制造。发明了基于光固化3D打印的高体积含量纯纤维预制体凝胶注模成型技术，克服了复杂结构CMC涡轮叶片整体成形难的技术瓶颈，以化学气相渗透制备纤维界面层，以原位合成获得SiC陶瓷基体的致密化，通过材料设计和工艺实现CMC组织性能调控，可获得复杂结构CMC涡轮叶片快速制造，将CMC材料断裂韧性提高到8 MPa·m1/2以上。建立了凝胶注模/原位合成碳化硅陶瓷基体强度调控方法。研究表明游离硅含量过高是导致CMC材料高温强度较低的主要原因。通过添加碳源提高纤维预制体中碳含量，以原位合成高温相(如碳化硅或硅化钼)降低CMC材料中游离硅，若采用单质石墨，游离硅含量依然较高(约31.83vol%)。为进一步控制游离硅量，采用酚醛树脂浸渍裂解，研究表明酚醛树脂作为碳前驱体可显著提高预制体中碳含量，以原位合成高温相可有效控制CMC材料中游离硅，游离硅含量最低值小于10vol%，实现CMC涡轮叶片1400 ℃高温强度达到400MPa以上。提出定向微观层片结构CMC复杂零部件的制造方法。将定向冷冻与凝胶注模结合，开创性探索了定向冷冻凝胶注模技术。研究发现层状陶瓷具有较高弯曲强度同时表现出较大的应变能力，可以实现CMC涡轮叶片结构成形和组织性能一体化快速制造。提出CMC涡轮叶片预制体的纤维核壳结构制备方法。以直写打印技术成形具有纤维(核)和陶瓷(壳)结构特征的CMC预制体，然后通过化学气相渗透获得纤维界面层，采用先驱体浸渍裂解等(如：聚碳硅烷)进行预制体致密化，首次将碳化硅陶瓷基复合材料的制备从材料设计向增韧核壳结构设计转变。研究表明，同轴直写打印技术可有效控制三相流中纤维(核)与陶瓷(壳)的体积比，定向排列纤维可显著提高CMC材料的抗断裂性能。较之现有3D打印多孔碳纤维增韧碳化硅复合材料，该方法将CMC强韧性提升3倍以上，图9为制备的SiC-CMCs涡轮叶片。

图 9 SiC-CMCs涡轮叶片

Fig. 9 SiC-CMCs turbine blade

 

因此，相对于目前CMC涡轮叶片纤维编织工艺，增材制造技术在陶瓷基复合材料制造中的运用，显著减小CMC涡轮叶片复杂结构设计的约束，实现CMC纤维组织和外形结构的控制，适合复杂结构CMC涡轮叶片的高性能快速制造，有望推动未来先进航空发动机快速研制，缩短中国与欧美先进制造水平的差距。

 

2 高分子材料及其复合材料增材制造

 

聚醚醚酮(Poly-Ether-Ether-Ketone，PEEK)是半结晶、热塑性高分子聚合物材料，具有优异的耐热性与稳定性，而且，碳纤维、陶瓷材料、金属化合物等增强相改性形成的PEEK基复合材料具有更为优异的物化性能或形成了具有某种特定作用(耐辐射、智能变形、导电、电磁屏蔽等)的功能性材料。因此，PEEK及其复合材料已经作为典型的轻质高性能材料或功能性材料应用于航空航天领域，近年来，随着增材制造(3D打印)技术的发展，其与PEEK及其复合材料的结合，可以快速成形结构更为复杂、功能要求更为多样的制件，大大提升了其在航空航天领域的应用潜力。PEEK及其复合材料具有杰出的阻燃性、力学性能、耐蠕变性和耐疲劳性，可制造燃油过滤网、螺栓、螺母、绕线管、舱内座椅及饭桌、舱内蒙皮、整机电缆桥架及电器元件、舱内把手、压缩机及泵体等零部件，已经应用于航空航天器的内装件，仅国外威格斯企业的PEEK材料已经在超过15 000架飞机上实现了应用，比金属减重最高达70%，国内商飞公司也采用PEEK材料的高压电缆导管替代金属管道，减重高达45%，并且提高了燃油效率。此外，由于PEEK及其复合材料优异的耐候性、耐水解性、耐腐蚀性等，同样可以被应用于航空航天器的外装件，国外空客公司已经采用PEEK材料作为燃油箱盖板应用到空客A380飞机上，并采用高模量碳纤维增强的PEEK材料作为飞机舱门配件应用到空客A350-900飞机上，而波音公司则采用PEEK材料作为轮毂罩应用到新型波音777飞机上，并且，PEEK及其复合材料还是雷达天线罩制造的理想材料，已经在各种型号航空航天器上得到了较为普遍的应用。

 

2.1 PEEK材料增材制造

 

PEEK材料与增材制造(3D打印)技术的结合，以制造出结构、性能、功能更为复杂的零部件，可以满足航空航天领域对于超音速、隐蔽性、深空探索、在轨制造等更深层次的需求。目前主要用于PEEK及其复合材料的增材制造工艺主要有粉末床烧结和熔融挤出两种方式，自2015年以来，国外的英国埃克塞特大学、德国EOS公司、莫斯科理工大学，国内的西安交通大学、吉林大学等研究单位开发了可用于PEEK及其复合材料的粉末床烧结装备或熔融挤出装备，并在此基础上进行了工艺试验研究，可以获得性能优异、结构复杂的功能构件，显示出其在航空航天领域中的应用潜力。其中最新的应用例如，国外的欧洲航天局推出了增材制造的PEEK材料CubeSat立体小卫星项目，并进入第一次测试运行，美国航空航天局则支持了一项SpiderFab机器人计划，旨在采用CF/PEEK材料在轨增材制造大型太阳能电池阵列的支撑结构，已在地面开展了测试试验，而国内的中电38所和西安交通大学合作采用PEEK材料进行了复杂结构雷达天线的增材制造，探索了其在航空航天复杂环境下的应用价值。

 

分子结晶与力学性能调控增材制造技术与应用。PEEK材料是一种半结晶高分子材料，本研究团队发明了一种分子结晶与力学性能调控增材制造技术，可以通过调控增材制造过程中的热工艺参数(环境温度、打印温度、热处理方式等)，得到不同位置不同结晶度的PEEK材料制件，而制件结晶度越高，其硬度、模量、强度越高，但塑性、韧性越低，因此可以在同一制件上体现出不同的力学性能，以满足航空航天环境下复杂应力应变变化的需求。目前，该技术可以普遍应用于航空航天器内装件与外装件零部件的制造，根据实际应用环境进行PEEK材料制件强韧性的调控，典型应用如把手、仪器面罩、天线及其支撑柱等，如图 10所示。

图 10 舱内把手与雷达天线

Fig. 10 Cabin handle and radar antenna

 

高精度大尺寸PEEK材料增材制造技术与应用。航空航天领域的大部分零件具有尺寸大(单方向尺寸大于1 m)、精度要求高等特点，因此，本研究团队开展高精度大尺寸PEEK材料增材制造技术研究，通过变形和精度控制、大幅面制造、控性冷沉积和精度补偿等技术，研发了面向PEEK及其复合材料的高精度大尺寸增材制造装备，可实现大尺寸PEEK材料构件的高稳定制造，同时实现内部精密结构(如蜂窝结构、多孔结构等)的高精度成形。目前，该技术可以应用于航空航天器中较大尺寸(0.5~1 m)实体零件的快速成形，和大尺寸(大于1 m)薄壁零件的可控制造，典型应用如雷达天线罩、大尺寸卫星照相遮光罩等，如图 11所示。

图 11 高精度大尺寸增材制造装备(上)和1.3 m的蜂窝结构雷达天线罩(下)

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

 

纤维增强PEEK基复合材料增材制造技术与应用。为了满足航空航天领域更高的性能和功能要求，可以采用碳纤维、玻璃纤维等增强相对PEEK材料进行改性，并采用增材制造技术进行复合材料零件的制造。研究团队所开展的纤维增强PEEK基复合材料增材制造技术研究，可以实现所获得复合材料制件的综合力学性能相较于纯PEEK材料制件提高50%以上，并提高了制件的耐磨性、耐热性和尺寸稳定性，可更好适应空天的复杂气流与温度环境。目前，该技术可以应用于航空航天器中承载结构件或耐热等功能结构件的制造，在满足需求的同时达到减重的目标，典型应用如飞机黑匣子外罩、气流管道和流体阀体等(图 12)。

图 12 增材制造的纤维增强PEEK基复合材料零件

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

 

2.2 宽频大角度吸波结构增材制造

航空隐身技术能够有效提高现代战机的突防能力以及战争生存能力，是现代先进航空飞行器的重要技术指标。现代战机的隐身技术是通过弱化飞行器的目标的雷达散射截面积(RCS)实现的，目前主要通过外形设计、阻抗加载和材料吸波特性实现，而材料隐身技术在不影响飞行器整体结构的条件下，通过主动结构设计，结合特定吸波材料的物理特性，有望实现质量轻、频带宽、大角度的电磁吸波特点，是未来航空隐身技术的主要发展方向和趋势。

先进航空飞行器受到结构设计、材料体系、制造工艺等诸多方面的限制，材料隐身技术是依据电磁波理论，通过主动设计单元结构从而实现整体结构吸波隐身效果，这类结构往往具有精巧的单元结构，因此对于加工方法具有极大的挑战。因此，隐身技术的实现必然依靠材料/结构功能一体化实现飞行器的综合隐身，利用增材制造技术其在复杂结构制造上的优势，能够实现“材料-设计-制造”一体化的方向，拓宽了材料自身吸波性能的物理限制，因此，成为隐身技术重要的制造方法之一，也是学术领域和工程应用的研究热点。

 

西安交通大学团队使用立体光固化增材制造工艺(SL)制造了一种梯度折射率雷达吸收结队构，该结构展示了良好的电磁吸收能力，较早的验证了采用增材制造技术实现复杂吸波结构的技术优势；西北工业大学团队使用立体光固化技术(SL)和化学气相渗透技术制造了具有不同角度的蜂窝状Al2O3/SiCw复合材料吸波结构，通过控制蜂窝角度，实现了吸波性能的调节，当角度为30°，厚度为3.5mm时，吸波性能最优，最小反射损耗达到-63.65dB，有效吸收带宽达到4.2dB(8.2~12.4 GHz)。牛津大学团队采用双喷头熔融沉积增材制造工艺制造不同材料的各向异性介质复合物，一个喷头制造低介电常数的多聚物，另一个添加高介电常数的无机微粒填充物，其制造的吸波结构最大吸波性能接近15.75GHz。

中南大学团队采用选择性激光烧结增材制造工艺(SLS)制作了一种三层不同单元的均质材料吸波结构，试验表明其在4~18GHz均低于频率-10dB。南京航空航天大学团队使用多材料数字光投影技术对石墨烯/羰基铁/聚甲基丙烯酸甲酯烯等复合材料进行打印，制造了一种具有双层结构的吸收体，通过控制双层结构的厚度，可以实现吸波性能的调节，通过优化得到最小反射损耗为-46.1dB, 有效吸收带宽为3.5GHz。

增材制造技术凭借其在复杂结构方面的制造优势，在隐身结构的制造方面获得了重要的突破，然而从上述研究内容不难发现，目前增材制造隐身结构的吸波带宽不宽、吸波方向固定，这也与目前均质的增材制造结构吸波特性所吻合，结构与材料的复合吸波优势尚未通过增材制造工艺充分体现。

高性能聚合物复合材料吸波结构增材制造工艺采用以聚醚醚酮(PEEK)为代表的高性能聚合物为基体材料，羟基铁等材料作为吸波增强相材料，提出了一种具有连续变化的材料/结构设计与增材制造方法，通过对设计连续变化的胞元结构以及复合材料吸收剂含量的调控，实现了与自由空间的梯度阻抗匹配及样件制造。

设计的多层级吸波结构如图13(a)和图13(b)所示，该结构共有10个层级，每个层级厚度为2mm，通过设计每层吸波结构中单胞结构几何参数和复合材料分布共得到四组不同梯度单元结构。其中，单胞结构几何参数如图13(b)所示为正六边形和平行四边形复合而成，其中胞元高度D和棱边宽度W为常数，分别为2mm和0.2mm，而平行四边形对边垂直高度H为变量，其取值范围为1.2~3.0mm。

图 13 吸波结构设计

Fig. 13 Design of absorption structure

吸波复合材料则分别采用聚醚醚酮(PEEK)粉末以及球形羰基铁粉(粒径1~3 μm)制备了3种含量的3D打印专用吸波复合材料丝材(50wt%、60wt%、70wt%)，测试了3种含量(50wt%、60wt%、70wt%)复合材料的电磁性能参数，在12~18 GHz波段内，随着羰基铁粉浓度的增加，有效粒径增大，吸波复合材料介电常数实部、磁导率实部、磁导率虚部增加明显。

图14为打印完成的多层吸波结构试样及在不同角度入射电磁波下的反射损耗曲线测试结果。测试结果显示，随着电磁波入射角度从20°增加到50°，多层吸波结构反射损耗曲线逐渐向上移动，吸波性能逐渐下降。图14(c)和图 14(d)显示，当入射角分别为20°和30°时，实测反射损耗值曲线较仿真结果整体向上偏移；当入射角分别为40°和50°时，实测反射损耗值曲线较仿真结果整体向下偏移；这主要是由于3D打印精度误差导致了在不同入射角度下特征阻抗发生变化，从而引起吸波效果与仿真结果的差异。最终可以得出结论，当电磁波入射角度分别为20°、30°、40°、50°时，多层级梯度吸波结构的有效吸波(＜-10 dB)频宽分别为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)。

图 14 3D打印样件及测试结果

Fig. 14 3D printing sample and measured results

 

吸波复合材料增材制造技术通过微结构单元的设计，结合多种吸收剂的吸波特性，可以进一步拓宽吸收频带，整体结构吸波方向性也得到了改善。随着航空隐身技术的快速的发展，宽频、全向、承载/功能一体化已经成为未来航空隐身技术的主要发展趋势，基于电磁损耗原理的可控微结构一体化设计、跨尺度(微/纳)复合材料以及高精度制造等关键技术研究及应用，有望成为实现航空隐身突破的重要技术手段，并在隐身舰船上层建筑等领域获得重大应用。

 

3 连续纤维增强复合材料3D打印及太空制造

 

纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强等优异特性，现有复合材料成形工艺如热压罐、自动铺放、纤维缠绕等长久以来因无法摆脱模具的存在面临着加工成本高、生产过程冗杂、零件构型简单等共性问题，为此发展新的复合材料低成本一体化快速制造技术将是下一代复合材料主要发展方向与技术挑战。近年来，连续纤维增强复合材料3D打印技术作为一种新兴的复合材料制造技术，其继承3D打印无模自由成形的技术优势，摆脱高昂的模具限制，大大降低复合材料的加工成本，实现复杂构件的一体化成形。因此，连续纤维增强复合材料3D打印为现阶段先进复合材料面临的发展困境提供了一种综合性的解决方案，具有十分重要的科学意义与工程应用价值。

 

3.1 连续纤维增强复合材料3D打印

 

该技术在传统材料挤出成形工艺(ME)基础上创新发展起来的，根据原材料与打印方式的不同主要包括连续纤维预浸丝3D打印与连续纤维干丝原位浸渍3D打印两种不同的形式。

 

连续纤维预浸丝3D打印首先需要制备纤维预浸丝，再利用预浸丝进行3D打印，典型代表为美国Markforged公司，Markforged自2014年开始陆续推出Mark系列打印机，主要采用两个独立喷头，一个喷头挤出热塑性树脂，另外一个连续纤维预浸丝束，两个喷头配合工作分别铺放熔融树脂与纤维预浸束进行构件轮廓与内部填充结构的制造，打印碳纤维增强尼龙复合材料拉伸强度与模量分别达到700 MPa与54 GPa。连续纤维预浸丝3D打印工艺的关键是纤维预浸丝材的制备，Hu等开发了利用螺杆挤出熔融浸渍的方式制备碳纤维增强PLA预浸丝，熔融树脂在螺杆旋转剪切作用下流动性改善同时在螺杆压缩作用下产生较大的压力，更容易渗透到纤维束内部形成具有良好界面的预浸丝。

 

连续纤维干丝原位浸渍3D打印，与预浸丝打印最大的区别在于连续纤维直接采用纤维干丝，打印过程中纤维与树脂同时送入到同一个3D打印头内，在加热作用下树脂融化与纤维复合，之后复合材料挤出层层堆积成形三维零件。西安交通大学研究团队于2014年率先提出了以纤维干丝与热塑性树脂丝材为原材料进行连续纤维复合材料原位浸渍3D打印的技术原理，成功实现了连续碳纤维增强ABS复合材料的打印，当纤维含量为10%左右时，拉伸强度与模量分别达到了147 MPa与4.185GPa，是纯ABS试样的5倍与2倍左右。2015年，东京理科大学Matsuzaki等开发出原位浸渍ME工艺实现了连续碳纤维增强聚乳酸复合材料的打印，当纤维含量为6.6%时，拉伸强度与模量分别达到了200 MPa与20 GPa，如图 15所示。

图 15 连续纤维干丝原位浸渍3D打印工艺

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

 

对连续纤维增强热塑性复合材料3D打印开展了系统的成形工艺实验，研究了3D打印工艺参数的变化对复合材料力学性能的影响规律，复合材料弯曲性能与打印头温度呈负相关关系，与分层厚度、扫描间距成负相关关系，分析表明工艺参数的变化会引起成形过程中温度与压力的变化，二者会改变复合材料的微观结构，同时工艺参数也会改变复合材料的纤维含量，微观结构的好坏以及纤维含量的高低是决定复合材料宏观力学性能的重要因素，因此，在连续纤维3D打印工艺中可以通过工艺参数的调控实现复合材料的性能可控制造。

 

由于连续纤维3D打印技术独特的工艺优势，能够带来对复合材料结构设计与制造理念的革新，对于突破现有复合材料的应用模式促进复合材料向更广泛领域发展具有巨大潜力，研究团队围绕连续纤维3D打印进行了初步的应用探索，一方面，开发了复合材料轻质结构一体化成形技术，如波纹板结构、蜂窝结构等，可被应用于航空航天、汽车交通等领域解决传统制造工艺成本高、周期长的问题，起到进一步减重、提升性能的效果，如图 16所示；另一方面，探索了基于连续纤维3D打印的结构功能一体化、智能化复合材料制造的行性，通过对3D打印连续纤维中材料分布、纤维路径规划等设计实现复合材料的可控变形以及材料变形状态的实时检测，实现复合材料致动、传感的一体化，在未来的变形机翼、柔性机器人等领域具有巨大的潜在应用价值，如图 17所示。

图 16 轻质结构连续纤维3D打印一体化成形

Fig. 16 Continuous fiber 3D printing of lightweight structure

图 17 连续纤维增强热塑性复合材料4D打印与变形调控技术

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

 

围绕连续纤维增强复合材料原位浸渍3D打印技术，建立了基础工艺参数对复合材料力学性能的调控机制实现复合材料的性能可控制造，重点开发了3D打印连续纤维复合材料多重结合界面强化方法，改善了复合材料的界面结合强度与微观结构，保证了复合材料优异的力学性能，所成形复合材料纤维体积分数达到50.2vol%左右，纵向拉伸强度与模量分别达到了最高的766.67 MPa与77.25 GPa，实现了复合材料构件低成本快速制造，对于促进复合材料在航空航天等重要工业领域进一步向轻量化、智能化、集成化等方向发展具有重要意义。

 

3.2 太空连续纤维复合材料3D打印

太空作为人类未来发展甚至居住的重要领域，具有至关重要的发展意义和战略价值，是承担和保护国家安全和发展的关键命脉之一。近年来，各个国家为了探索太空的可能性，争夺太空领域的优先权，均大力发展航天技术，从而衍生出了许多太空战略规划，如美国2018年制定的《国家航天战略》以及俄罗斯的《2016—2025年俄罗斯联邦航天规划》等，太空3D打印则被认为是航天技术发展的核心方向之一。

 

太空3D打印是指在空间环境(微重力、真空、高低温等)下通过3D打印实现太空基地或构件的原位成形技术。太空3D打印技术通过将制造环境和应用环境统一，实现按需原位制造，解脱“地面制造-运输组装”的传统模式，大大提高了航天活动的灵活性，降低了技术成本，具有广阔的应用和发展前景。

 

美国是开展太空3D打印技术相关研究最早也是技术最先进的国家，美国航空航天局(NASA)主导并合作不同研究机构开展了各类太空3D打印的探索研究及实施计划。NASA马歇尔飞行中心于1993年便率先开展部分高分子聚合物FDM工艺对空间环境适应性分析研究，并于1999年开展抛物飞行试验，验证了微重力环境下的FDM工艺的可行性。NASA兰利研究中心则开发了一套适用于太空飞行的轻型电子束熔丝沉积设备(EBF3)，并通过抛物飞行试验，初步实现了飞行过程中的样件成形，验证了该工艺的可行性。NASA和Made In Space公司于2014年合作实现了全球首次舱内太空3D打印，实现了利用FDM技术成形多个ABS样件，如图 18所示，并于2015年4月成功回收至NASA马歇尔飞行中心，大大推进太空3D打印的进程，实现了从地面验证到在轨成形的飞跃。NASA和Tether Unlimited公司则合作提出了SpiderFab技术以期实现大型空间桁架结构的一体化舱外在轨成形。

图 18 美国2014年实现首次太空3D打印

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

 

欧洲的太空3D打印同样发展迅猛。欧洲宇航局(ESA)授权意大利Altran公司研制了第一台FDM空间3D打印机-POP3D，并于2015年将其成功送入国际空间站，为搭建太空零部件的加工工厂提供了验证基础。俄罗斯于2016年报道，由托木斯克理工大学高科技物理研究所等4家单位联合研制了该国的首台太空3D打印样机。

 

中国的太空3D打印技术相比欧美起步较晚，但目前也已实现了部分工艺及设备的抛物飞行实验及舱内验证。中国科学院空间应用工程与技术中心于2016年共同研制了国内首台FDM太空3D打印机，并在法国波尔多完成了抛物线失重飞行试验，实现了包含短纤增强复合材料在内的多材料体系微重力环境验证与工艺探索。

 

2020年5月7日，西安交通大学和北京卫星制造厂联合研发的太空3D打印机成功搭载“长征”5号运载火箭实现了太空3D打印，这也是全球首次连续纤维增强复合材料的太空3D打印，如图 19所示。连续纤维增强复合材料太空3D打印为发展高强度高刚度空间构件的原位成形提供了创新且有效的技术手段。

图 19 中国实现全球首次连续纤维增强复合材料的太空3D打印

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

 

针对太空3D打印，目前公开报道的相关研究主要有3部分，分别是面向太空环境的3D打印工艺及设备的地面或舱内验证、太空3D打印的高性能材料研究以及太空环境下的材料回收再打印。

 

现阶段，太空3D打印的地面验证及在轨实验多以ABS、PLA等纯树脂以及金属粉末作为原材料开展相关验证研究，相关材料体系难以满足太空环境下高机械性能的稳定成形以及耐高低温耐腐蚀的环境耐受性需求。西安交通大学提出的连续纤维增强复合材料3D打印工艺，能够确保原材料的连续性，克服了太空中液体及粉末形态材料的难以稳定成形的缺陷。连续纤维复合材料也能够满足太空制件轻质高模量的性能需求，目前已实现了多种材料体系的地面验证、设备搭建及性能评估，其中就包含耐温及耐腐蚀性能最佳的连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，其3D打印样件的弯曲强度和模量可分别超过480 MPa和37 GPa，高于现有大部分铝合金制品的力学性能，再次证实了连续纤维复合材料体系在太空良好的应用前景。

 

太空中的材料回收再利用是减少太空废料污染、降低材料及运输成本、提高太空制造能效的有效手段。Made In Space公司在内的多家研究机构已相继开展以热塑性树脂为对象的空间回收再利用技术研究。相比于纯树脂，连续纤维增强热塑性复合材料能够更好地发挥连续纤维的形态优势，实现回收再打印的目标。西安交通大学研究人员探索了连续碳纤维增强聚乳酸(CCF/PLA)复合材料的回收再利用。

 

通过非接触式加热熔融的方式进行逆打印路径的丝材剥离及收卷，而后实现二次打印成形。经过性能测试，结果表明二次成形的力学性能相比首次打印可提升25%，再次证实连续纤维复合材料的回收再利用不仅有利于太空绿色节能制造，也能实现力学性能的有效提升。因此，开展空间环境下的连续纤维复合材料的回收再利用将会是未来该技术发展的一个重要方向。

 

4 结论与展望

 

1) 增材制造技术在航空航天领域具有巨大的发展空间，其应用可以分为3个层面，第1个层面传统设计方法和材料体系采用增材制造技术进行构件制造；第2个层面是面向新的结构设计采用增材制造技术；第3个层面是采用新的功能材料与结构设计一体化增材制造实现更多新的功能。未来航空航天领域应用应该向功能材料与结构设计一体化增材制造发展。

 

2) 航空发动机涡轮叶片是航空制造的一个制造难点，采用与传统铸造融合的型芯/型壳一体化技术可以有效提升成形效率，为异型气模孔和壁冷结构制造提供新途径。发展高熵高温合金和陶瓷复合材料叶片增材制造技术是涡轮叶片变革发展的方向。

 

3) 以聚醚醚酮为代表的高性能轻质聚合物及其复合材料在航空航天领域具有广阔的发展前景，提出增材制造工艺调控结晶度实现对力学性能的控制，实现增材制造的控形控性理念。短纤维与聚醚醚酮复合提升增材制造构件的力学性能，电磁吸波材料与聚醚醚酮复合可实现具有宽频大角度吸波性能，为电磁波隐身的主动设计和可控制造提供新方法。

 

4) 连续纤维3D打印技术无需模具，能够带来对复合材料结构设计与制造理念的革新，未来向着复合材料致动、传感的一体化的4D打印方向发展。连续纤维增强复合材料太空3D打印为发展高强度高刚度空间构件的原位成形提供了创新且有效的技术手段，中国实现全球首次连续纤维增强复合材料的太空3D打印，为中国未来太空制造技术竞争奠定了良好的基础。

 

5) 航空航天产业是国家制造业实力的体现，增材制造技术的应用是中国航空航天技术赶超世界先进国家的历史性机遇。未来增材制造技术发展主要需要关注3个方面需要和发展：航天航空器发展将向结构整体化制造发展，需要增材制造技术实现构件的整体化制造，这将将大幅度减少零部件数量，实现轻质高性能结构的发展；航空航天器构件将向多功能发展，增材制造技术将实现多功能材料的混合制造，承载、抗热、吸波、通讯、自感知等多功能，使得航空航天构件向智能化发展；太空制造将由实验走向应用，这将改变现有的航天器制造模式，极端环境、失重、低功耗等条件下，增材制造技术会面临许多新的挑战和机遇，太空增材制造技术有可能成为太空科技的新热点。

 

原文: 李涤尘, 鲁中良, 田小永, 张航, 杨春成, 曹毅, 苗恺. 增材制造——面向航空航天制造的变革性技术[J]. 航空学报, 2022, 43(4): 525387-525387.

 

航空航天用碳化物先进陶瓷材料发展现状

 

航空方面，作为飞机“心脏”的航空发动机，其使用工况十分复杂，且对使用寿命的要求极高;与飞机比较，关键热端部项材料的使用温度更高，通常达到1000℃以上;与航天比较，材料的使用寿命需更长，一般要求达到3000h以上。因此，航空发动机的材料体系，需要能够同时满足高温、长寿命的使用要求，是非常有限的。然而逐渐发展成熟的碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)正在成为一种理想的候选材料。

 

CMC-SiC复合材料在国外航空发动机中的应用

CMC-SiC指碳化硅纤维增强碳化硅(SiC/SiC)和碳纤维增强碳化硅(C/SiC) 。CMC-SiC是一种轻质、耐高温、冷却少甚至无需冷却的新型复合材料，是目前国际公认的最具发展潜力的发动机热端部项材料之一，即保留了纤维耐高温、高强、高模、耐腐蚀、抗蠕变、材料热膨胀系数小等优点，同时又克服了陶瓷材料抗冲击性能差、断裂韧性低的缺陷。

 

目前，C/SiC和SiC/SiC材料己然引起美国、日本、德国、法国等航空发达国家的普遍关注，历经二十多年目前仍在继续研究。在制备工艺方面，主要的制备工艺有热压烧结法(HPS),反应烧结法(BB)、浆料浸渗/热解法(SIFIP)、反应熔体渗透法(RMD、先驱体浸渍热解法(PIP)和化学气相渗透法(CVI)以及PIP-HP法、CVI-RMI法和CVI-PIP法等。美国以CVI, PIP技术为主，制备水平较高;日本拥有世界领先的连续碳化硅纤维制备技术，制备碳化硅复相陶瓷以PIP法为主，SiC/SiC的研究制备水平较高;德国以RMI和PIP技术为主，RMI技术世界领先;法国的CVI技术处于世界领先地位;我国以CVI, PIP, RMI技术为主，材料性能己达到国际领先水平。

 

在应用方面，经研究及考核结果表明，CMC-SiC可使中温中等载荷静止项(内锥体、密封片/调节片等)减重50%以上，并显著提高其使用寿命，总的来说，目前，中温中等载荷静止项(内锥体、密封片/调节片等)己完成全寿命验证并进入实际应用和批量生产阶段;高温中等载荷静止项(导向叶片、涡轮外环、火焰稳定器、火焰筒等)正进行全寿命验证，有望进入实际应用阶段;而高温高载荷转动项(涡轮叶片、转子等)尚处于探索研究阶段，使用寿命与应用要求相距甚远;而我国在应用方面的研究尚处于起步阶段，与发达国家差距较大。

 

在航天方面，随着科技的发展，高超声速飞行器飞行速度己经达到5马赫数以上，飞行器表面温度会超过1000℃，传统的热防护材料己经不能满足需求，超高温材料成为新的研究热点。碳化物超高温陶瓷具有熔点高及抗热震稳定性好等良好的化学与力学稳定性，能够适应超高音速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行与火箭推进系统等极端环境，可以被应用于机翼前缘、鼻锥、发动机热端等各种关键部项。作为应用在航天飞行器上的重要材料，碳化物超高温陶瓷材料得到各国的高度关注。

高超音速飞行器

 

目前常见的碳化物超高温陶瓷主要有碳化锆(ZrC),碳化钽(TaC)和碳化铪(HfC)，以及以其为基体的陶瓷基复合材料或复相材料。这三种物质的熔点3000℃以上，具有优良的热化学稳定性、物理性能，包括高弹性模量、高硬度、低饱和蒸汽压、适中的热膨胀率和良好抗热震性能等，能在高温下保持很高的强度。并且，以其作为高温抗氧化烧蚀涂层技术在航空航天领域的应用也受到各个国家的普遍关注，它是一种外部涂层保护方法，保护原理是将制备各类涂层使材料与氧化烧蚀环境隔离开，阻止碳和氧发生反应。如，SUN W等人在C/C复合材料表面采用化学气相沉积法沉积ZrC陶瓷涂层，能够有效阻止氧向C/C集体进一步扩散。

4米口径高精度碳化硅非球面反射镜

 

此外，由于CMC-SiC无法长期在1700℃以上的氧化环境中使用，因此可采用ZrC，TaC等超高温陶瓷材料对其进行涂层改性或基体改性，以发展更加耐高温、长寿命以及结构功能一体化的新型超高温材料。如今我国己然拥有CMC-SiC超高温改性技术基础。而SiC陶瓷材料是目前主要的航天反射镜材料，广泛应用于航空、航天的扫描镜、反射镜、光学系统等。我国己开发出4米大口径碳化硅反射镜，但应用最广泛的仍是1.5米大口径碳化硅反射镜。

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