先進復合材料（Advanced Composites，ACM）專指可用于加工主承力結構和次承力結構、其剛度和強度性能相當于或超過鋁合金的復合材料。目前主要指有較高強度和模量的硼纖維、碳纖維、芳綸等增強的復合材料。
ACM在航空航天等軍事上的應用價值特別大。比如，軍用飛機和衛(wèi)星，要又輕又結實；軍用艦船，要又耐高壓又耐腐蝕。這些苛刻的要求，只有借助新材料技術才能解決。
ACM具有質量輕，較高的比強度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、導熱、隔熱、隔音、減振、耐高（低）溫，獨特的耐燒蝕性、透電磁波，吸波隱蔽性、材料性能的可設計性、制備的靈活性和易加工性等特點。
先進復合材料的主要特點
常用結構材料的比強度 、比模量列于表 1
在不同飛行器上節(jié)省結構質量所具有的價值不盡相同,但是為達到減重的目標,除了優(yōu)化結構形式外,采用高比強度、高比模量的材料幾乎是唯一的途徑。
纖維復合材料表現(xiàn)出顯著的各向異性，即沿纖維軸方向和垂直于纖維軸方向的許多性質,包括光、電、磁、導熱、比熱、熱脹以及力學性能,都有顯著的差別。
材料的各向異性雖給材料性能的計算帶來麻煩,但也給設計帶來較多的自由度。由于復合材料鋪層的各向異性特征，鋪層取向又可以在很寬的范圍進行調整,所以可通過改變鋪層的取向與鋪疊順序來改變復合材料的彈性和強度特性,以獲得滿足使用要求、具有最佳性能質量比的復合材料結構。
復合材料的力學性能存在著金屬材料所沒有的耦合效應。例如,單向板在受到非主軸方向拉伸時,將引起剪切變形,即拉剪耦合;當單向板受到非主軸方向彎曲時,將引起扭轉變形,即彎扭耦合。對復合材料耦合效應的巧妙應用可以解決前掠翼飛機機翼設計上存在的扭轉變形擴散問題,而采用金屬材料,這些問題是難以解決的。
疲勞破壞是材料在交變載荷下,由于裂紋的形成和擴展而產(chǎn)生的低應力破壞。在纖維復合材料中存在著難以計數(shù)的纖維樹脂界面,這些界面能阻止裂紋進一步擴展,從而推遲疲勞破壞的發(fā)生。纖維復合材料的拉/壓疲勞極限值達到靜載荷的70%～80%,而大多數(shù)金屬材料的疲勞極限只有其靜強度的40%～50%。
因而,通?？梢杂渺o力覆蓋疲勞處理大多數(shù)的疲勞問題。
從力學角度看,纖維復合材料內部存在著的大量界面和復合材料中纖維承載的特點使材料成為典型的超靜定體系;使用過程中,復合材料構件即使過載而造成少量纖維斷裂,其載荷也會迅速重新分布到未破壞的纖維上,從而在短期內不會使整個構件喪失承載能力,顯示出結構良好的破損安全性。
樹脂基復合材料在成形過程中,由于高分子化學反應相當復雜,進行理論分析與機理預測常常會有許多困難。但是對于批量生產(chǎn)而言,當工藝規(guī)范確定后,復合材料構件的制作較為簡單。
許多方法可被用于復合材料構件的成形,如采用拉拔、注射、纏繞、鋪放技術,其中包括整體共固化成形和RTM(Resin Transfer Molding)成形,此類成形技術大大減少了零件和緊固件的數(shù)量,簡化了以往金屬鈑金件冗長的生產(chǎn)工序,縮短了生產(chǎn)周期,并容易實現(xiàn)成形自動化。復合材料制件尺寸不受冶金軋板設備、加工和成形設備尺寸的限制。
先進復合材料的研發(fā)熱點
基體和增強體等原材料是發(fā)展先進復合材料的基礎和前提,而增強纖維技術尤為重要。碳纖維是20世紀60年代迅速發(fā)展起來的高新材料,主要包括以美國為代表的大絲束碳纖維和以日本為代表的小絲束碳纖維兩大類。
21世紀,先進復合材料的需求將以更快的速度增長,而其高成本已經(jīng)成為制約復合材料廣泛應用的重要瓶頸,低成本復合材料技術已成為目前世界上復合材料研究領域的一個核心問題。提高先進復合材料的性能價格比,除了在原材料、裝配與維護等方面進行研究改進外,更重要的是降低復合材料制造成本。
據(jù)統(tǒng)計先進復合材料的制造工藝成本占總成本的75%以上,復合材料產(chǎn)品的性能與成本之間存在明顯的非線性關系。有時90%的性能只需60%的工藝成本,而其余10%的性能卻需要40%的成本。
在過去的30多年中,復合材料的研究與開發(fā)重點放在材料性能和工藝改進上,目前的重點是先進復合材料的低成本技術,各種低成本技術的開發(fā)和應用將是復合材料發(fā)展的主流,其中的重點是低成本制備技術和制備技術的優(yōu)化。
新型航空航天器的發(fā)展不斷追求高效能、低成本、長壽命、高可靠,對其材料與結構的綜合要求越來越高。
為適應此應用需求,一些新型復合材料應運而生,在現(xiàn)有材料性能基礎上繼續(xù)挖掘先進復合材料潛力,如超輕材料與結構技術力求輕上加輕,納米復合使其強上加強,多功能化追求功上加功。
復合材料作為多相體(夾雜、基體、界面相等)材料,其自身具有顯著和豐富的細觀結構特征,因此其宏觀性能和損傷、失效規(guī)律不僅取決于每一組分材料的特性,同時還依賴于復合材料的細觀結構特征,其中包括夾雜(如纖維、晶須、顆粒、裂紋、空洞等)的體積分數(shù)、形狀、尺寸、分布規(guī)律及界面形式等。
復合材料還具有材料-結構-工藝一體化的特征,尤其對多向編織復合材料和纖維纏繞先進復合材料來說,構件的材料和結構的設計與制造都包含組分材料-復合材料-結構三個層次上的同時性,沒有復合材料的成品或中間產(chǎn)品。因此,對復合材料的研究必須采用“設計/評價”一體化的研究思想。
ACM未來發(fā)展方向
以發(fā)動機為例，一般來說，材料耐高溫性能越好，用它做出來的發(fā)動機水平就越高。
據(jù)理論計算和試驗發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機的工作溫度每提高100℃，它的推力就可提高15%左右?？梢娞岣甙l(fā)動機材料耐高溫性能的重要性，而ACM的高溫性能主要由樹脂基體決定，因此耐高溫樹脂基體的研究是今后應用發(fā)展的一個重要內容。
對航天航空用高性能ACM，過去重視性能，較少考慮成本。隨著冷戰(zhàn)結束，各國國防開支減少，迫使制造商和使用者考慮降低成本，ACM低成本制造技術是當今世界ACM技術發(fā)展的核心問題。
它包括以下幾個主要方面：降低原材料成本，尤其是高性能碳纖維成本，世界呼聲很高；開發(fā)低溫固化、高溫使用的樹脂和預浸料，節(jié)約能源；開發(fā)長壽命的預浸料；使用混雜纖維ACM；通過工藝創(chuàng)新如電子束固化工藝等降低制造成本。
提高航空用結構ACM的抗沖擊韌性一直是一個重要的研究課題。ACM的抗沖擊性能主要依賴于樹脂的交聯(lián)密度?？赏ㄟ^改變樹脂和固化劑結構，增加柔性鏈段，或利用高韌性、耐高溫的橡膠或熱塑性樹脂增韌，提高抗沖擊性能。這樣既不犧牲預浸料的工藝性和ACM的耐熱性，又賦予材料類似于熱塑性樹脂的抗沖擊性能。
總之，ACM形成產(chǎn)業(yè)并首先應用的領域就是航空航天工業(yè)，航空航天工業(yè)的發(fā)展和需求一直ACM對的研究起著積極的促進作用，同時ACM的飛速發(fā)展又為航空航天的新型結構設計和制造提供了更大的發(fā)展空間。
來源：無人機
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