復(fù)合材料是指由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新型材料,它既能保留原有組分材料的主要特色,又通過(guò)材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充,并彼此關(guān)聯(lián)與協(xié)同,從而獲得原組分材料無(wú)法比擬的優(yōu)越性能。
伴隨著武器裝備的不斷發(fā)展,對(duì)減重、隱身、耐沖擊、耐高溫等性能要求越來(lái)越高,傳統(tǒng)材料越來(lái)越難以滿足多項(xiàng)要求,復(fù)材成為軍事裝備發(fā)展的重要基礎(chǔ),其應(yīng)用水平已成為衡量武器裝備發(fā)展的先進(jìn)性標(biāo)準(zhǔn)之一。
總的來(lái)看,復(fù)材技術(shù)與裝備發(fā)展相輔相成,互相促進(jìn),即復(fù)材制備與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展推動(dòng)了裝備升級(jí),裝備不斷發(fā)展也倒逼了復(fù)材技術(shù)不斷進(jìn)步。
隨著國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與加工能力逐步上升,成本逐步下降,未來(lái)復(fù)合材料在武器裝備的應(yīng)用將會(huì)逐步提升。
美國(guó)與日本是較早開展復(fù)材制備與應(yīng)用的國(guó)家,技術(shù)較成熟,在武器裝備與民用航空中應(yīng)用比例較高。
隨著國(guó)內(nèi)裝備不斷發(fā)展,復(fù)材制備技術(shù)的逐步成熟,裝備中復(fù)材應(yīng)用比例也在不斷提升,但總體水平與國(guó)外仍存在差距,未來(lái)仍有較大提升空間。
隨著增強(qiáng)材料、基體以及復(fù)材制備技術(shù)發(fā)展,復(fù)合材料在軍用飛機(jī)上的用量逐步提升。
據(jù)2006 年發(fā)表的《飛機(jī)結(jié)構(gòu)用先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展》文獻(xiàn),2000年以后世界先進(jìn)軍機(jī)上復(fù)合材料的用量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的20%~50%不等。復(fù)材在國(guó)外軍用戰(zhàn)斗機(jī)上的應(yīng)用經(jīng)歷了“小受力件→次承力件→主承力件→起落架應(yīng)用”4 個(gè)階段,從初期只能應(yīng)用于受力較小的部件,發(fā)展到目前已經(jīng)能夠應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)件以及起落架上。
第一階段:主要用在艙門、口蓋、整流以及襟副翼、方向舵等受力比較小的部件上,應(yīng)用比例可達(dá)3%。
第二階段:復(fù)合材料開始應(yīng)用于軍機(jī)的垂直尾翼、水平尾翼的壁板等次承力結(jié)構(gòu)件上,這一階段復(fù)材應(yīng)用比例可達(dá)5%。
第三階段:復(fù)合材料逐步應(yīng)用在軍機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身等主要承力結(jié)構(gòu)上,復(fù)材應(yīng)用比例達(dá)20%~50%。
第四階段:復(fù)合材料在起落架上的應(yīng)用,由于在起落架上的應(yīng)用是替代鋼件而不是鋁件,因此進(jìn)一步提升了減重空間。
我國(guó)四代機(jī)之前,復(fù)材的應(yīng)用范圍僅限于尾翼、鴨翼等次承力結(jié)構(gòu)上,用量占比不到10%,四代機(jī)復(fù)合材料用量有了明顯突破,復(fù)材用量達(dá)到整機(jī)結(jié)構(gòu)件的20%左右。
為了盡可能減重,無(wú)人機(jī)大量應(yīng)用了復(fù)材,且用量普遍高于有人戰(zhàn)斗機(jī),一般在60%~80%之間。
無(wú)人機(jī)具有:低成本、輕結(jié)構(gòu)、高機(jī)動(dòng)、大過(guò)載、長(zhǎng)航程、高隱身的鮮明技術(shù)特點(diǎn),這些特點(diǎn)決定了其對(duì)減重有迫切的需求,復(fù)合材料的出現(xiàn)使無(wú)人機(jī)的減重要求得以實(shí)現(xiàn)。
據(jù)2013年發(fā)表的《先進(jìn)復(fù)合材料在軍用無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用動(dòng)向》文獻(xiàn),各種無(wú)人機(jī)上復(fù)合材料的用量較大,普遍要高于有人機(jī),一般在60%-80%之間,有的甚至全結(jié)構(gòu)均使用復(fù)合材料。復(fù)合材料在無(wú)人機(jī)機(jī)體上的應(yīng)用發(fā)展經(jīng)歷了從整流罩,到承載小的部件,例如飛機(jī)翼面的前緣、后緣壁板,到翼面的操縱面或操縱面的后緣等次承力結(jié)構(gòu),以及到主承力結(jié)構(gòu),進(jìn)而到翼面盒段、翼身融合等整體一體化成型的發(fā)展歷程。
復(fù)材在直升機(jī)上的使用,促進(jìn)了直升機(jī)技術(shù)的飛躍,機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用量現(xiàn)已成為衡量新一代直升機(jī)技術(shù)先進(jìn)水平的重要標(biāo)志之一。
近年復(fù)材在國(guó)外直升機(jī)中的應(yīng)用也越來(lái)越多,部分機(jī)型復(fù)材占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量比達(dá)50%以上,甚至產(chǎn)生了全復(fù)合材料機(jī)體直升機(jī)(NH-90 直升機(jī)),復(fù)材占比高達(dá)95%。我國(guó)直升機(jī)復(fù)材應(yīng)用研究較早,目前國(guó)內(nèi)在研和在役直升機(jī)均大量使用復(fù)材。
民機(jī)既強(qiáng)調(diào)安全性,也強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性,對(duì)結(jié)構(gòu)減重同樣有迫切的需求,復(fù)材用量也在不斷提升,應(yīng)用占結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量比可達(dá)50%。
航天裝備如導(dǎo)彈、火箭、高超聲速飛行器等一般飛行速度較高,飛行過(guò)程表面溫度高,對(duì)防熱要求較高。
導(dǎo)彈在大氣飛行速度很高(接近或遠(yuǎn)超過(guò)聲速),此時(shí)由于導(dǎo)彈氣動(dòng)加熱,其表面蒙皮及彈頭溫度會(huì)快速升高。根據(jù)駐點(diǎn)溫度計(jì)算公式,假設(shè)導(dǎo)彈環(huán)境溫度為220K,初步計(jì)算了不同飛行速度下導(dǎo)彈蒙皮的溫度,可以看出當(dāng)導(dǎo)彈飛行速度達(dá)4-10馬赫時(shí),表面溫度范圍可達(dá)445-3173°C,隨著馬赫數(shù)的提高,表面溫度急劇上升,普通的鋁合金甚至鈦合金都難以滿足要求。例如,美國(guó)改進(jìn)型超音速海麻雀導(dǎo)彈在發(fā)射后8-10秒,彈體蒙皮溫度可達(dá)371°C,這種環(huán)境下2024鋁合金強(qiáng)度會(huì)降低90%,難以滿足要求。
因此,對(duì)于高速飛行的航天裝備,需要采用各種不同類型的陶瓷材料及復(fù)材來(lái)實(shí)現(xiàn)防熱,如美國(guó)X-47B高超聲速飛行器使用了碳/陶瓷復(fù)合材料用來(lái)防熱,耐溫可達(dá)1700°C。
復(fù)材在戰(zhàn)術(shù)彈上通常應(yīng)用于彈體、彈翼、尾翼、雷達(dá)罩、進(jìn)氣道等位置。美國(guó)早期的“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈使用了較多的復(fù)合材料部件,如頭錐、雷達(dá)罩、尾翼、進(jìn)氣道等,但性能一般,當(dāng)時(shí)其它戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈大多仍以金屬材料為主。
20世紀(jì)80年代以來(lái),多種戰(zhàn)術(shù)彈的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和部分彈體蒙皮開始使用復(fù)合材料,例如,美國(guó)新一代空面巡航導(dǎo)彈ACMI58- JASSM,在“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上為了大幅度地降低成本減輕彈體重量,不僅彈翼、尾翼、進(jìn)氣道采用復(fù)合材料,整個(gè)彈身全部艙段都采用了碳纖維復(fù)合材料,全彈減重了30%,成本降低50%。
我國(guó)在亞音速岸艦、艦艦導(dǎo)彈天線罩上采用了復(fù)合材料,以環(huán)氧復(fù)合材料為蒙皮,聚氨酯泡沫為芯層。