高性能复合材料在航空航天机械设计中的应用与挑战

傅宝根
（南京航空航天大学 金城学院，江苏南京 211100）

摘要：高性能复合材料凭借其轻量化、高强度、耐高温等特性，已成为航空航天机械设计领域的关键材料。本文系统探讨了碳纤维增强聚合物（CFRP）、陶瓷基复合材料（CMC）等典型体系在飞行器结构件、发动机热端部件及航天器特殊需求场景中的应用现状，揭示了其在减重增效、功能集成方面的显著优势。研究同时指出，复合材料应用面临材料性能预测精度不足、复杂结构成型缺陷控制困难、异质连接可靠性低等核心挑战。针对上述问题，本文提出了基于多尺度建模的材料设计优化、智能制造工艺融合及多学科协同设计等应对策略，并展望了纳米增强复合材料、4D 打印技术及 AI 驱动设计方法的未来发展方向。研究旨在为航空航天领域高性能复合材料的工程化应用提供理论支撑与技术参考，推动材料-工艺-设计协同创新。

关键词：高性能复合材料；航空航天机械设计；轻量化；制造工艺

引言：

由于航空航天技术的迅猛发展，对航空航天机械设计材料提出了更高的要求，现有的传统金属材料由于自身密度大、耐温性能差等缺点已无法满足高推重比、长寿命、耐超高温等下一代飞行器的发展需要，而高性能复合材料是以纤维或颗粒作为增强体、树脂类或陶瓷类等高分子为基体的多种组分材料，因其比强度高、比模量高、耐高温、耐腐蚀、可设计性好等突出特点，逐渐成为航空航天机械设计中最主要的一类材料。

一、高性能复合材料基础理论与特性

1.复合材料分类与结构

复合材料是由人工设计并具有两种或两种以上性质不同的材料通过一定的功能相界面结合起来，是能够产生协同作用以综合发挥材料性能的一类结构材料。增强体与基体是其主体结构，其中增强体通常为纤维（碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维）或颗粒（碳化硅、氧化铝）等，主要发挥承重作用；基体则一般采用树脂（环氧树脂、聚酰亚胺）、金属（铝、钛）或陶瓷（碳化硅、氮化硅）等，主要实现粘结、传递载荷和对增强体的保护作用。根据材料的基体分类有聚合物基复合材料（PMCs）、金属基复合材料（MMCs）和陶瓷基复合材料（CMCs），比如碳纤维增强聚合物（CFRP）以高模量的碳纤维构成骨架，环氧树脂为基体，它既具有聚合物的轻质又有纤维的高强度特征；陶瓷基复合材料（CMC）将陶瓷纤维埋入陶瓷基体中，可在 1600℃的高温工作环境的结构中具有良好的稳定性。

2.力学性能与功能特性

复合材料具备优良力学性能，比强度（强度/密度）大于铝材（3-5 倍），比模量（模量/密度）可达钢材（4-6 倍），从而在不改变强度要求的前提下减轻飞行器结构的质量，在提升飞行器载荷的同时降低了质量。碳/碳纤维树脂基复合材料的抗拉强度可以达到 2000MPa 以上，并且拥有优良的疲劳强度，可应用在飞机机翼、机身等主承力部位。此外，复合材料具有特殊功能性能，例如 CMC 耐高温、抗氧化，可应用在发动机的高温部位；玻璃纤维复合材料绝缘性好，可以应用在雷达罩设计中；另外功能化复合材料（碳纳米管增强复合材料等）可以达到导电、吸波等不同功能性能的要求，具备隐身技术手段等。可以充分利用多功能一体化设计，增加了其应用范围。

3.制备工艺与成型技术

预浸料-热压罐成型：这是航空、航天领域传统的复合材料制造技术，将纤维制成预浸料（浸渍了树脂的纤维）后按照预先设计好的铺层叠加上机，放到热压罐内高温高压下固化成型，可以方便地控制纤维取向和孔隙率，成本也相对较高，生产周期较长。而树脂传递模塑（RTM）成型工艺是注入树脂到纤维预制件（模具）中去，可以根据需求成型不同形状的构件，适用于大批量产品的制造，但在纤维预成型和模具密封方面要求极高。近年来，3D 打印技术的应用改变着传统复合材料制造方式，比如熔融沉积成型（FDM）结合了纤维增强材料的立体光刻（SLA），可以制备拓扑结构的复合材料一体成型，在一定程度上缩短了设计开发和产品研制周期。还有自动铺丝技术、原位固化、即喷即固化工艺（3DP）、光谱固化等工艺提升铺层速度、提高材料利用率。

二、航空航天机械设计中复合材料的应用场景

1.飞行器结构件设计

轻质和高强度是高性能复合材料飞行器结构中设计的主要考虑之一，因此在机身、机翼、尾翼等大部分主承力结构件中广泛使用 CFRP，碳纤维相比铝合金材料比强度、比模量高得多，可以达到减重 30%-50%和提高燃油效率载荷能力的目的。例如，波音 787 飞机机身使用 CFRP 占比为50%，通过纤维铺层角度的设计来平衡和提高刚性和韧性；空客 A350 的主盒段起落架 CFRP 结构，优化设计成一体成型件，降低结构件上铆钉连接的数量，从而减少铆接疲劳。复合材料可以在起落架、襟翼、舱门等部件中采用纤维-金属混杂结构，来满足强度和耐腐蚀性的要求。

2.发动机热端部件

原有的镍基合金喷管，较先前减少的质量几乎超过 370 公斤；在涡轮风扇发动机中（如图 1 所示），GE 航空采用 CMC材料作为 LEAP 型发动机燃烧室衬套，减少了冷却气流的供应，从而使燃烧效率更高；CMC 热障涂层(TBC)的运用可以进一步对基体温度进行限制，提高发动机部件的耐久寿命。随着复合材料的应用，发动机热端部件耐温提高 200～300 ℃，热效率提高 5%～8%，是先进航空发动机突破现有发展水平和相关性能指标的主要技术途径。由于热端部件处于高温、高压和氧化环境，受传统金属材料的耐高温极限的限制，为解决此类高温组件问题，选用陶瓷基复合材料(CMC)代替传统金属是一种比较理想的选材方案，这不仅在很大程度上提高了其耐热性、温度范围以及热循环寿命，且具有高热稳定性和比强度，密度低等特点。比如 SpaceXMerkle 发动机利用碳基 CMC 制成的喷管替代了

图 1：复合材料压铸发动机

3.航天器特殊需求

因航天器的特殊要求，即兼顾质量轻、辐射防护、低温度和精密成型，复合材料在航天器上的应用主要包括热防护材料、构件和功能材料。航天器结构复合材料具体的应用涉及深空探测器（例如深空探测器热防护罩选用碳酚醛复合材料耐受热气层的烧蚀等）、卫星构件（例如卫星部件结构件选用 CFRP 或 Al 基复合材料以及一次成型而减少连接件的数量来提升构件的可靠程度）和航天器复合材料功能化（例如柔性太阳能电池阵基板选用聚酰亚胺基复合材料轻质量且有强辐射防护能力；星载天线反射面采用碳纤维增强氰酸酯复合材料得到高精度面形状）。

三、复合材料应用中的关键技术挑战

1.材料设计与性能预测

高性能复合材料的高性能很大程度上依赖于微观结构设计，目前，多尺度下的材料行为预测仍是一项具有挑战的技术。无论是纤维还是基体，纤维与基体界面结合状态及界面脱黏状况、纤维取向分布、纤维周围及整体中的孔隙缺陷等微观结构特征，皆会显著影响其宏观力学性能，通过试错法设计复合材料往往成本大、时间长；数值模拟方法(包括有限元分析)尽管可以对一部分上述问题进行预测，但受限于材料模型的准确性，例如，纤维复合材料损伤演化过程本质上涉及基体开裂、纤维拔出等多种非线性机制，现有的模型往往较难实现，因此，纤维复合材料在复杂加载条件(如疲劳载荷、冲击)下复合材料的使用寿命预测仍然缺乏有效方法，从而导致其设计保守或存在安全隐患。

2.制造工艺瓶颈

复合材料加工技术是复合材料制备和性能影响的因素，同时复合材料加工技术方面的问题也是技术发展的瓶颈。热压罐成型技术加工复合材料是其可加工性好，能提高复合材料的精度成型，但缺点是设备高、能耗大、大尺寸构件的均匀性控制难度高；树脂传递模塑(RTM)工艺有产生孔隙的趋势，需要改进工艺减小孔隙对复合材料力学性能的影响，树脂注射成型的压力和温度不容易进行调优等。3D 打印技术是处理复杂结构的新技术手段，但打印出来的纤维和基体界面结合强度低、打印速率低等问题仍没有有效的解决措施。复合材料构件批量化生产模具寿命短、工艺稳定型差等问题也是制约行业发展的主要因素。

3.连接与装配技术

复合材料与金属或其它材料连接是航天飞机结构弱环节，机械连接（铆连接、螺栓连接）破坏纤维连续性，应力集中，接头强度低；胶接能够无损连接但对界面处理、湿度敏感，且长期耐久性差。异质材料热膨胀系数差异引发界面脱粘。例如复合材料机翼与金属机身的连接必须面对数百万次飞行循环的疲劳载荷，传统连接技术很难达到可靠性要求。亟待开发的有混合连接（胶接+机械连接）、表面改性（激光毛化、等离子体）和自修复涂层。

四、挑战应对策略与未来发展方向

1.材料改性与创新

复合材料性能不足，亟待材料优化，比如通过纳米增强材料的加入，复合材料韧性和粘结强度得到改善，比如以碳纳米管、石墨烯等纳米材料对环氧基树脂进行纳米复合，可以提升基体韧性以及粘结性能，性能改善幅度一般可提升20%~40%，但是整体保持了轻质等性能优势。比如以自修复功能化材料对现有材料进行改性，其原理是向材料中添加一些功能化材料，比如微胶囊或者血管样网络，并在其中加入一些修复材料，一旦材料由于外力作用出现裂纹或者材料开始失效，此时外界外加载荷下微胶囊破裂释放修复材料或者血管网络结构破裂，此时能够对裂纹或者材料失效进行修复，并对裂纹进行封堵，由此可大大地提升了复合材料的寿命；比如近年来关注的生物基复合材料，这类材料包含天然纤维，比如亚麻纤维、竹纤维、废纸纤维或者生物可降解复合材料，比如聚乳酸（PLA）或者聚己内酯（PCL），这类材料满足了材料的可持续发展，并可应用于卫星、无人机等结构领域，减缓结构耗材以及难回收的局面。

2.智能制造技术融合

数字技术助力复合材料制造的数字化、精细化、智能化发展，工艺参数和材料状态经由构建的数字模型与制造过程实时对接，便于在热压罐成型、树脂传递模压等工艺实施过程进行工艺参数的实时优化，从而控制复合材料成型品质，降低其缺陷率；机器人自动铺丝铺带可以有效保证纤维铺层角度和铺层厚度的精度及构件加工重复性，降低制造人员的工时支出；通过 3D 打印和原位固化结合，有利于实现复合材料复杂构件一体成型加工制造，如拓扑优化机翼蒙皮可减重 15%仍满足强度需求。人工智能(AI)的加入可开展智能制造生产线智能检测、自动识别孔隙、分层等缺陷，譬如基于人工智能(AI)的质量控制方法(深度学习图像识别技术)，以及质量控制自动化技术方案等。

结束语：

未来复合材料在航空航天结构中的应用越来越显著，其结构质量轻、强度高以及功能设计已逐渐成为提高飞机性能的有效手段，但材料服役寿命及可靠性预测、工艺缺陷可控、异型连接等难点问题有待于克服。同时，基于纳米强化、自愈合功能化等功能化的复合材料研究，结合智能制造和多学科多材料的复杂设计必将为复合材料的全寿命周期设计带来更大的潜能。
参考文献：
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【3】李红英,汪冰峰.航空航天用先进材料[M].化学工业出版社:201901.334.

本文系南航金城学院校级科研基金项目：基于激光增材制造技术高温合金复合材料的理论研究（编号 XJ2024003）。

作者简介：傅宝根，（1984 年 01 月-），男，汉族，江苏南京人，副教授，研究方向：机械设计制造及自动化，增材技术，模具设计。