先进复合材料研究现状及其在机载武器上的应用展望

摘要：材料技术是武器装备更新换代的物质基础，先进复合材料具有轻质、高强、可设计、耐腐蚀、耐高温等优点，将其应用于机载武器的结构中可获得优异的减重效果。本文根据机载武器的服役要求，综述了航空航天用热固性复合材料、热塑性复合材料和陶瓷基复合材料的研究进展及应用现状，并对其在机载武器上的应用前景进行了展望。

关键词：机载武器；热固性复合材料；热塑性复合材料；陶瓷基复合材料中图分类号：TJ760;V257

文献标识码：A文章编号：1673-5048（2023）02-0001-20

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0246

0引言

随着航空宇航科学技术的快速发展，以空空导弹和空地导弹为代表的机载武器向着高速度、高机动、远射程方向发展［1］。材料技术是武器装备更新换代的物质基础，先进复合材料因其轻质、高强、可设计、耐腐蚀、耐高温等优点，在航空航天领域有着广泛应用［2］。将先进复合材料应用于机载武器的结构，可有效提高其机动能力、飞行速度、射程、隐身性能等总体性能指标。早在20世纪70年代，先进复合材料就已经被作为导弹的结构或功能材料而进行系统的应用研究。如洲际导弹发动机的壳体复合材料经历了玻璃纤维/环氧、芳纶纤维/环氧和碳纤维/环氧复合材料三代的实际研制与应用，不仅大幅度降低了结构的重量系数，也极大地提高了发动机的容积系数［3］。巡航导弹的整流罩、进气道及进气道整流罩［4］，空空导弹的弹翼、舱体［5］也大量应用碳纤维复合材料，并获得了良好的减重效果。以石英纤维/氰酸酯、石英纤维/聚酰亚胺、石英纤维/石英为代表的结构-透波一体化复合材料在导弹天线罩同样得到了广泛应用［6］。以高硅氧/酚醛、碳纤维/酚醛为代表的烧蚀材料一直是洲际导弹、高超声速飞行器外防热系统和发动机喷管的重要材料［7］。经过50多年的发展，先进复合材料在导弹上的应用已经从次承力结构向主承力结构发展，其制备方法涉及缠绕［8］、热压［9］、液体成型［10］等工艺。机载武器作为一种攻击性装备，对结构轻量化有着极其迫切的需求［11］。先进复合材料优异的比强度、比刚度、耐腐蚀、可设计等特点，是机载武器理想的结构材料。为此，本文根据机载武器的特点及服役环境，综述了热固性复合材料、热塑性复合材料和陶瓷基复合材料的特点及其在航空航天上的研究及应用现状，并对其在机载武器上的应用前景进行了展望。

1热固性复合材料

热固性复合材料具有强刚度高、耐腐蚀、阻燃、抗疲劳、尺寸稳定等优点，是当前航空航天领域应用最为广泛的材料之一，如飞行器的雷达罩、机身、舵翼面、舱内骨架等结构，均已大量采用热固性复合材料并实现了良好的减重效果［12-13］。其中，环氧、双马来酰胺、聚酰亚胺、酚醛等热固性树脂体系由于具有优异的工艺以及力学性能，应用最为广泛［14］。

1.1环氧复合材料环氧复合材料力学性能和化学稳定性较好、制作成本低、收缩率小、耐腐蚀，并且具有一定的耐高温性，综合性能优异，在亚声速和低马赫数（Ma≯2）飞行器的主承力结构中有着极为广泛的应用。

经过几十年的发展，国外已经开发了三代韧性航空环氧树脂体系（如表1所示）。具有代表性的有美国Narmco公司研发的5208树脂、Cytec公司的977-2和977-3树脂、Hexcel公司的8552树脂，以及日本东丽工业公司的3900系列树脂。其中，T300/5208复合材料已应用于F-15战斗机的气动力减速装置［15］；IM7/977-3和IM7/977-2复合材料已分别应用于F/A-18E/F战斗机机翼蒙皮和X-33F飞行器内部的隔板结构中［16-17］；8552环氧树脂体系主要应用于波音787的窗框；IM7/8552复合材料在RAH-66直升机机体主承力结构，以及美国“大力神”火箭的整流罩、锥形尾仓等结构有着大量应用［18-19］（如图1所示）；3900系列环氧树脂体系已应用于波音787客机机翼蒙皮和中央翼盒等结构，3900-2体系则已应用于波音777客机的水平尾翼［20］。

国内针对环氧树脂在航空航天上的应用，也研发出了三代环氧树脂体系。基本型的代表有航空工业复合材料技术中心（航空复材）研发的5222环氧树脂；第一代环氧树脂的代表有航空复材研发的3238A，3234和LT-03，洪都航空工业集团研发的NY9200系列，西安飞机工业集团研发的HD58；第二代环氧树脂的代表有5224，5228，5228A和5288；第三代环氧体系CCF800H/AC531复合材料冲击后压缩强度可达335MPa，抗冲击性能和耐湿热性能较第二代环氧树脂体系有较大提升［21-23］。其中，HT3/5222复合材料已进行飞机机翼壁板的研发；CF3052/3238A复合材料应用于直升机旋翼、整流罩等结构；CF3052/3234，G803/3234和G814NT/3234复合材料已应用于直升机涵道垂尾、尾桨叶、旋翼等结构；HT7/LT-03复合材料可用于制造无人机机翼盒段，ZT7G/LT-03A复合材料已在无人机机翼盒段以及运输机腹鳍等结构中应用［24］；HT3/NY9200Z复合材料已用于飞机承力结构件和复合材料修补制件，HT3/NY9200G已用于强击机垂直安定面等结构，HT3/HD58复合材料曾用于运输机垂尾试验件；G803/5224和G827/5224复合材料已用于制造直升机涵道、前缘椎体等结构；HT3/5228和HT7/5228复合材料已用于某型天线和制造翼身融合体验证平台中复合材料机翼蒙皮；CCF300/5228A复合材料已经应用于直升机复合材料加筋壁板及夹层等结构中；HT8/5288可作为翼身组合体复合材料机翼蒙皮备选材料［25］。典型国产碳纤维/环氧复合材料的纵向拉伸强度和玻璃化转变温度如图2所示；典型国产玻璃纤维/环氧复合材料的应用现状如表2所示。

机载武器服役过程中需要经历长时间的挂机飞行以及短时间的自主飞行，这就要求环氧复合材料具有较好的韧性和耐热性。尽管环氧复合材料无法满足高声速机载武器对更高温度的服役需求，但其仍可以作为亚音速或低马赫数（Ma≯2）飞行的机载武器（如空射无人机、滑翔弹、低速空对地导弹等）的结构材料，以达到减轻结构重量、增加载弹量的目的。尽管高速导弹的弹体外表面温度较高，但为了保证弹内电子元器件的工作可靠性，通常要对弹体进行防隔热设计，以保证舱内温度低于120℃［26］。可见，对于此类机载武器，环氧复合材料可在其弹体内部作为连接框架或组件的骨架等次承力结构使用。其次，由于环氧复合材料优异的力学和工艺性能，通过外加防热层的方法来实现其在高超声速机载武器外承力结构上的应用，也不失为一种经济可行的方案。

1.2双马来酰胺复合材料

与环氧复合材料相比，双马来酰胺（Bismaleimide，BMI）复合材料具有更好的耐高温性能，同时又具有阻燃性、低介电常数、良好的力学性能等优点，使其得以在F-22和F-35为代表的超声速巡航战斗机主承力结构中大量应用［11，27］。国外目前开发了多种BMI树脂体系。第一代BMI树脂的代表有Narmco公司研制的5250-3和5250-4树脂，其中5250-4树脂长期耐温达200℃，具有较高的韧性，干态Tg为271℃。第二代BMI树脂的代表主要有Cytec公司开发的5260和5270树脂以及Hexcel公司的F650和F652树脂。其中，AS4/5250-3复合材料的Tg为339℃，可用于飞机的主承力结构；RAH-66直升机减速器齿轮机构壳体采用的是AS4/5250-4复合材料，IM7/5250-4复合材料则应用于X-33飞行器的机翼面板蒙皮、F22战机机翼蒙皮和波纹梁（如图3所示）以及X-37B飞行器的机身蒙皮等结构［13，28-29］。5260和5270树脂可分别在177℃和250℃高温下长期服役［13］；Hexcel公司的F650树脂则可在202℃高温下长期服役，其短时耐高温更是可达430℃，已应用于海麻雀导弹的舱体结构［30-31］。

国内的高性能BMI树脂体系如图4所示。第一代BMI树脂的主要代表有西北工业大学与航空复材联合研发的5405树脂（该树脂体系可以在130℃下长期使用），以及北京航空制造工程研究所研发的QY8911系列树脂；航空复材研制的5428，5429和QY9511是我国第二代BMI树脂的代表；航空复材研发的AC631则是国内第三代BMI树脂体系的典型，具有较高的韧性，已经在巡航导弹纵横加筋舱段中进行了应用研究［32］。其中，HT3/5405复合材料的Tg为220℃，已应用于带整体油箱的复合材料机翼和垂尾［22，25］；在QY8911系列BMI树脂中，QY8911-I型长期服役温度为150℃，已用于歼击机结构件；QY8911-II具有更好的耐高温性，长期服役温度可达230℃，HT3/QY8911-II复合材料垂尾已通过了280℃高温下瞬时承载能力试验；QY8911-III的Tg为250℃，其在湿热环境中具有良好适应性；HT3/QY8911-IV复合材料的Tg为230℃，已用于翼身组合体复合材料模拟件的制造［25］。HT7/5428与HT7/5429复合材料的Tg分别为270℃和240℃，也已用于翼身组合体复合材料模拟件的制造；QY9511树脂可以服役于177℃左右，具有良好的韧性以及耐高温性能，HT3/QY9511与HT8/QY9511复合材料已经在飞机的机翼大梁、机身蒙皮等结构中得到应用［21-22］。

BMI树脂通常可以在180～310℃高温下长期服役，短时服役温度可达350℃以上，因此，其相比于环氧树脂更适用于耐高温结构件，可以应用于马赫数在2～3的导弹、超声速飞行器的机翼、垂尾等主承力结构中，也可以作为结构材料应用于导弹壳体、舵翼面等结构中。BMI复合材料具有与环氧复合材料相当的力学性能，其耐高温性能介于环氧与聚酰亚胺之间，但其制造成本远低于聚酰亚胺复合材料。因此，在兼顾力学性能、耐高温性能和成本的综合考虑下，BMI复合材料可作为长期服役温度不高于310℃、短期服役温度不高于350℃的机载武器的理想结构材料。对于未来作战环境的复杂性、不确定性，BMI树脂还需进一步提高耐温性、韧性及湿热性能，在能够满足超声速武器服役温度要求的同时，还要兼顾在不同服役环境下的适应能力，以实现导弹、飞行器等结构进行全天候、多方位打击的能力。

1.3聚酰亚胺复合材料

聚酰亚胺（Polyimide，PI）复合材料是目前耐温等级最高的有机复合材料体系，在高温下具有优异的综合性能，可以在高温（280～400℃）下长期使用，并可在高温环境中做承力构件，近年来在航天、航空及空间技术等领域，尤其是在航空发动机、导弹上得到广泛应用。

经过几十年的发展，国外PI树脂已经形成了涵盖四个代次耐温等级的材料体系，已完成三代产品的开发与应用（如图5所示），目前第四代产品正在开展应用研究。第一代PI树脂中最具有代表性的是PMR-15，其制备工艺为热压成型，长期服役温度在300℃左右，以T300作为增强体的PMR-15复合材料已经应用在F404与M88-2发动机外涵机匣（如图6所示）［33］。随着对耐高温性能要求的提高，以PMR-II-50，V-CAP75和AFR-700B为代表的第二代PI复合材料被相继研发出来，其长期服役温度在315～370℃，其中V-CAP75PI复合材料已经应用于F-22整流环和压气机机匣［34-38］，AFB-700B则应用于F119发动机推力矢量喷管等结构中［39］。美国宇航局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration，NASA）研发的DMBZ-15第三代PI树脂，长期服役温度在370～426℃，以其为基体、T650-35碳纤维作为增强体所得到的复合材料，具有良好的耐高温性能，在导弹雷达天线罩等许多领域已有广泛的应用［34］。有机无机杂化（如引入无机结构或接枝笼型聚倍半硅氧烷，PolyhedralOligomericSilsesquioxane，POSS）可有效提高PI树脂的耐温性能［34］，目前在第四代PI树脂的研发中受到研究人员的重视。基于此方法，美国新研发的P2SI-900HT可以长时间在425℃的高温中服役［34］。

目前，国内也相继开发出一系列PI树脂体系（如表3所示）。主要包括KH-304，BMP316，BMP350，AC721，KH-305和BMP420，以及最高服役温度可达500℃的HPI500等［21］。其中，HT3/KH-304长期服役温度在288℃左右，已用于航空发动机外涵道；BMP316长期服役温度可达315℃，采用T300/BMP316复合材料研制的航空发动机外涵机匣已经实现批量应用，此外还在导弹雷达天线罩和舵翼面等结构得到应用［40］。BMP350可以长期服役于350℃的高温且瞬时耐高温可达到400℃，已经在某型发动机外涵机匣及高速飞行器垂尾前缘等构件开展了应用研究［41-43］。BMP420短时耐高温可达到450℃以上，并可长期服役于400℃的高温环境，在航空发动机后部喷口调节片以及超高速飞行器的高温部件的研制中，BMP420均参与了试制［44］。