中國複合材料**[收藏該文章]
材料的水平決定著乙個領域乃至乙個國家的科技發展的整體水平；航空、航天、空天三大領域都對材料提出了極高的要求；材料科技制約著宇航事業的發展。
固體火箭發動機以其結構簡單，機動、可靠、易於維護等一系列優點，廣泛應用於**系統及航天領域。而先進複合材料的應用情況是衡量固體火箭發動機總體水平的重要指標之一。在固體發動機研製及生產中盡量使用高效能複合材料已成為世界各國的重要發展目標，目前已拓展到液體動力領域。
科技發達國家在新材料研製中堅持需求牽引和技術創新相結合，做到了需求牽引帶動材料技術發展，同時材料技術創新又推動了發動機水平提高的良性發展。目前，航天動力領域先進復合材
料技術總的發展方向是高效能、多功能、高可靠及低成本。
作為我國固體動力技術領域專業材料研究所，四十三所在固體火箭發動機各類結構、功能複合材料研究及成型技術方面具有雄厚的技術實力和研究水平，突破了我國固體火箭發動機用複合材料殼體和噴管等部件研製生產中大量的應用基礎技術和工藝技術難關，為我國的固體火箭發動機事業作出了重要的貢獻，同時牽引我國相關複合材料與工程專業總體水平的提高。建所以來，先後承擔並完成了通訊衛星東方紅二號遠地點發動機，氣象衛星風雲二號遠地點發動機，多種戰略、戰術飛彈複合材料部件的研製及生產任務。目前，四十三所正在研製多種航天動力先進複合材料部件，研製和生產了載人航天工程的逃逸系統發動機部件。
二、國內外技術發展現狀分析
1、國外技術發展現狀分析
1.1結構複合材料
國外發動機殼體材料採用先進的複合材料，主要方向是採用炭纖維纏繞殼體，使發動機質量比有較大提高。如美國「侏儒」小型地地洲際彈道飛彈**發動機（sicbm-1、-2、-3）燃燒室殼體由im-7炭纖維/hbrf-55a環氧樹脂纏繞製作，im-7炭纖維拉伸強度為5300mpa，hbrf-55a環氧樹脂拉伸強度為84.6mpa，殼體容器特性係數（pv/wc）≥39km；美國的潛射飛彈「三叉戟ii（d5）」第一級採用炭纖維殼體，質量比達0.
944，殼體特性係數43km，其效能較凱芙拉/環氧提高30%
國外炭纖維的開發自八十年代以來，品種、效能有了較大幅度改觀，主要體現在以下兩個方面：①效能不斷提高，
七、八十年代主要以3000mpa的炭纖維為主，九十年代初普遍使用的im7、im8纖維強度達到5300mpa，九十年代末t1000纖維強度達到7000mpa，並已開始工程應用；②品種不斷增多，以東麗公司為例，2023年產的炭纖維品種只有4種，到2023年炭纖維品種達21種之多。不同種類、不同效能的炭纖維滿足了不同的需要，為炭纖維複合材料的廣泛應用提供了堅實的基礎。
芳綸纖維是芳族有機纖維的總稱，典型的有美國的kevlar、俄羅斯的apmoc，均已在多個型號上得到應用，如前蘇聯的ss-24、ss-25洲際飛彈。俄羅斯的apmoc纖維生產及其應用技術相當成熟，apmoc纖維強度比kevlar高38%、模量高20%，纖維強度轉化率已達到75%以上。pbo纖維是美國空軍2023年開始作為飛機結構材料而著手研究的產品，具有剛性極強的線形伸直鏈結構。
美國bruswick公司用抗拉強度為5.5gpa級的pbo纖維進行纏繞容器的綜合研究，內徑為250mm的球形高壓容器，實測平均爆破壓強91mpa，纖維強度轉化率86%，容器特性係數65.2km，與抗拉強度為5.
65gpa的t-40炭纖維纏繞容器相比（pv/w值
為45.2km），pbo效能要高31% 。
此外，複合材料以其質輕的優勢替代傳統的金屬材料獲得廣泛應用，典型的有複合材料發射筒、網格結構及各種壓力容器。
國外複合材料飛彈發射筒在戰略、戰術型號上廣泛採用，如美國的戰略飛彈mx飛彈、俄羅斯的戰略飛彈「白楊m」飛彈均採用複合材料發射筒。由於複合材料發射筒相對於金屬材料而言，結構重量大幅度減輕，使戰略飛彈的機動靈活成為可能。在戰術飛彈領域，複合材料飛彈發射筒的應用更加普遍。
網格結構的研究早在20世紀70年代就已開始，目前已有多種型別網格結構在航空航天領域用作戰略飛彈級間段，空間飛行器艙體、箭與衛星的對接框等不同部件，如2023年美國空軍菲利普實驗室以自動化纏繞技術製作網格結構承力部件應用於飛機改制，加州複合材料中心將複合材料網格應用於航空噴氣發動機，日本研製的碳/環氧複合材料網格結構作為第**發動機與旋轉平台的級間段結構成功地應用在h1火箭上。
從20世紀60年代末開始，航天領域中以s玻璃和凱夫拉-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2023年開始了輕質複合材料氣瓶研製，採用s-玻纖/環氧、kevlar/環氧纏繞複合材料氣瓶。隨著炭纖維效能提高及成本大幅度下降，炭纖維與低成本鋁內襯製造技術相結合，使得費用低、質量輕、效能高、可靠性好的高壓容器的生產變為現實。
1.2結構/功能一體化材料
在國外動力系統噴管部件已趨向全炭/炭化，入口段與喉襯採用整體式多維炭/炭編織物，出口錐用炭/炭材料或碳布帶纏繞製成，延伸噴管技術相當成熟。喉襯材料方面，國外高效能慣性頂級固體發動機、星系固體發動機、戰略飛彈固體發動機，幾乎全部採用3d、4d炭/炭複合材料喉襯。炭/炭擴張段主要應用於宇航發動機及戰略飛彈上面級發動機。
如美國研製的star系列宇航發動機炭/炭擴張段，及mx飛彈第**採用炭/炭擴張段和二維延伸的炭/炭延伸錐，三叉戟d5潛地戰略固體飛彈
第二級採用了可延伸的炭/炭延伸錐。法國研製的炭/炭擴張段應用於西歐遠地點助推發動機mageii號。俄羅斯炭/炭擴張段出口直徑達1.
5m，出口厚度2.8mm，已應用於「起點一號」運載火箭上面級等眾多態號發動機。八十年代中期，法國sep公司開發了厚度方向有炭纖維增強的在novoltex 炭/炭擴張段、延伸錐技術。
美國侏儒飛彈第**的炭/炭擴張段和延伸錐、雅典娜(athena) 運載火箭慣性頂級發動機orbus 21 hp、波音公司運載火箭delta-iii的第二級（rl10b-2）和ariane 4運載火箭上面級液氫/液氧發動機hm7使用了sic塗層的novoltex 炭/炭擴張段。
2、國內技術發展現狀分析
2.1結構複合材料
國內固體發動機殼體已成功採用玻璃纖維及芳綸纖維。航天四十三所還配合有關部門進行了國產芳綸纖維初步效能研究，有待於進一步加強工藝應用研究。四十三所在炭纖維複合材料殼體研究方面進行了大量的預先研究工作，進行了φ1400mm、φ2000mm炭纖維殼體研製。
與國外相比，主要差距有：apmoc纖維依賴進口，應用中纖維強度轉化率較低；高效能炭纖維未實現國產化，應用受到限制；殼體工藝控制手段不先進；目前尚沒有型號應用炭纖維纏繞的固體發動機殼體。
在pbo纖維應用研究方面，航天四十三所進行了初步的探索性研究，在pbo纖維表面處理、pbo纖維適應的樹脂配方研究等工作都已取得了較大的進展。但與國外相比，存在著基礎應用研究不多、原材料依賴進口的缺點。
國內在輕質複合材料應用上也開展了相關研究。在複合材料發射筒研究方面，航天四十三所及哈爾濱玻璃鋼製品研究所進行了xx系列飛彈發射筒的研製，已成功地進行了多種地面試驗和實彈發射考核。在飛航飛彈複合材料發射筒研製方面，航天科工集團三院研製了長5.
45m,內徑502mm的飛彈貯運發射筒。航天四十三所、哈爾濱玻璃鋼製品研究所等單位進行了網格結構材料初步應用研究，43所同時針對網格結構纏繞成型的特點開發了纏繞軟體。上述工作為大型主承力網格結構實際應用奠定了良好的基礎。
總體說來，目前國內對網格結構的研究主要集中於理論方面，需加強複合材料主承力網格結構應用技術研究，以提高我國空間飛行器的效能，縮短在技術上與國外的差距。
四十三所多年來一直從事複合材料壓力容器研究工作，從早期的玻璃纖維壓力容器，kevlar-49壓力容器到f-12芳綸纖維及炭纖維壓力容器，效能一直處於國內先進水平，s-ⅱ玻璃纖維壓力容器的pv/w值達到20km， f12芳綸纖維pv/w為38km，t700炭纖維pv/w為40km。在金屬內膽壓力容器研製方面，成功地進行了dfh-4衛星平台用50l炭纖維高壓複合材料氣瓶纏繞研製工作，已進入正樣階段。此外，航天四十三所還成功研製了太空人生命保障系統用容器和多種環形及異形容器，在上述研
究的基礎上，將相關產品已應用到衛星、運載火箭和軍用飛機上，具有十分重要的意義。
2.2結構/功能一體化材料
喉襯材料一直是固體火箭發動機材料應用研究的重點和關鍵。近20年來，炭/炭複合材料喉襯的研製和應用取得了很大的進展，航天四十三所於70年代末期建立起了φ650mm的氈基炭/炭喉襯研製生產線，80年代初又掌握了4d 炭/炭喉襯研製工藝技術，通過工藝攻關，基本具備了大型戰略飛彈srm各級發動機喉襯預成型體編織，cvd均熱法、熱梯度法，高壓浸漬炭化，高溫石墨化工藝的研製條件。四十三所研製了與國際水平同步發展的各種型別炭/炭喉襯材料，其中4種炭/炭喉襯材料效能已
達到同類材料的國際先進水平。
噴管擴張段、防熱環技術是我國srm技術中與國外差距最大的專案，大約落後20年左右，嚴重制約著我國戰略、戰術飛彈**的技術水平。國內大型噴管擴張段/延伸段結構件材料目前主要採用採用炭/酚醛、高矽氧/酚醛復合纏繞絕熱層及玻璃纖維/環氧纏繞結構層，耐溫性與剛度比較低，限制了噴管熱防護材料的進一步發展，研製耐高溫輕質的噴管結構材料成為必要。航天四十三所已開展多項輕質炭/炭擴張段預先研究，先後成功通過固體及液體發動機地面熱試車，承擔的「863專案」研
制的不同規格的炭/炭延伸段已先後多次成功通過液體發動機地面熱試車，為航天動力系統的輕質化奠定了一定的技術基礎。
三、問題及建議
1、原材料研究滯後阻礙了高效能複合材料研製的步伐
如我國在「九五」期間開發的國產芳綸纖維，儘管其抗拉強度已達到4470mpa，但該纖維存在工藝性較差、製作的複合材料層間剪下強度較低等缺點。目前航天動力用炭纖維複合材料均為進口炭纖維，多為日本東麗公司的炭纖維，國產炭纖維原絲質量不穩定，纖維強度較低且離散性較大。pbo增強複合材料是未來先進複合材料主要發展方向之一，可我國的pbo纖維至今完全依賴進口。
製備c/sic複合材料的先驅體樹脂陶瓷產率低。
從長遠考慮，建議國家投入經費，應加強高效能原材料工業化力度，大幅提高效能，擴大規模，降低成本。從而降低軍
用複合材料成本。
2、需要進一步加強複合材料的基礎研究
複合材料經過了多年的發展歷程，現已基本自成體系，無論在原材料、構件成型，還是工程應用等方面，國內外都已形成規模。但是，就國內目前的現狀看來，幾十年的發展對於一種高新材料而言，遠遠不夠，隨著複合材料應用領域的擴充套件、使用條件的提高，所產生的高效能、低成本、多功能要求，有待於開展更廣泛、更深入地研究。
建議今後複合材料領域的研究工作計畫圍繞以下幾方面展開：高效能複合材料進一步研製；複合材料低成本化研究；複合材料介面結構和效能的研究與控制；複合材料結構及工藝過程控制研究。
3、進一步提高製造技術和製造工藝
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