復合材料，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的用量已成為衡量軍用裝備先進性的重要標志。復合材料的興起豐富了現(xiàn)代材料家族，尤其是具備高強度、高模量、低比重碳纖維增強復合材料的出現(xiàn)，使其成為各類軍民裝備重要的候選材料之一。

復合材料的分類

復合材料可以根據(jù)基體材料類別、增強材料形態(tài)、復合材料功能的不同來進行分類。

1、按基體材料類別，復合材料可分為金屬基、有機非金屬基與無機非金屬基，如樹脂基、鋁基、鈦基復合材料等；

2、按增強材料形態(tài)，復合材料可分為纖維增強、顆粒增強、短纖維增強、片狀增強等，如納米碳管、碳纖維復合材料等；

3、按材料功能，復合材料可分為結(jié)構(gòu)復合材料、功能復合材料及智能復合材料，如導電復合材料、光導纖維、形狀記憶合金等。

復合材料的的特性

與普通材料相比，復合材料具有許多特性，可改善或克服單一材料的弱點，充分發(fā)揮各材料的優(yōu)勢，并賦予材料新的性能；可按照構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和受力要求，給出預定的分布合理的配套性能，進行材料最佳性能設(shè)計等。

具體表現(xiàn)在：

1、高比強度和髙比模量。復合材料的突出優(yōu)點是比強度和比模量高。如碳纖維增強樹脂復合材料的比模量比鋼和鋁合金高5倍，比強度比鋼和鋁合金也高3倍以上。

2、耐疲勞性高。纖維復合材料，特別是樹脂基復合材料對缺口、應力集中敏感性小，而且纖維和基體的界面可以使擴展裂紋尖端變鈍或改變方向，即阻止了裂紋的迅速擴展，因而疲勞強度較髙，碳纖維不飽和聚酯樹脂復合材料疲勞極限可達其拉伸強度的70%~80%，而金屬材料只有40%~50%。

3、抗斷裂能力強。纖維復合材料中有大量獨立存在的纖維，一般每平方厘米上有幾千到幾萬根，由具有韌性的基體把它們結(jié)合成整體，當纖維復合材料構(gòu)件由于超載或其他原因使少數(shù)纖維斷裂時，荷載就會重新分配到其他未斷裂的纖維上，使構(gòu)件不至于在短時間內(nèi)發(fā)生突然破壞。因此復合材料都具有比較高的抗斷裂韌性。

4、減振性能好。結(jié)構(gòu)的自振頻率與結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量和形狀有關(guān)，并與材料比模量的平方根成正比。若材料的自振頻率高，就可避免在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振及由此引起的早期破壞。

5、耐高溫性能好，抗蠕變能力強。由于纖維材料在高溫下仍能保持較高的強度，所以纖維增強復合材料，如碳纖維增強樹脂復合材料的耐熱性比樹脂基體有明顯提高。而金屬基復合材料在耐熱性方面更顯示出其優(yōu)越性，如鋁合金的強度隨溫度的增加下降很快，而用石英玻璃增強鋁基復合材料，在500°C下能保持室溫強度的40%。碳化硅纖維、氧化鋁纖維與陶瓷復合，在空氣中能耐1200~1400°C的高溫，要比所有超髙溫合金的耐熱性高出100°C以上。

6、耐腐蝕性好。很多種復合材料都能耐酸堿腐蝕，如玻璃纖維增強酚醛樹脂復合材料，在含氯離子的酸性介質(zhì)中能長期使用，可用來制造耐強酸、鹽、酯和某些溶劑的化工管道、泵、閥、容器和攪拌器等設(shè)備。

7、較優(yōu)良的減摩性、耐磨性、自潤滑性。由于復合材料構(gòu)件制造工藝簡單，表現(xiàn)出良好的工藝性能，所以適合整體成型。在制造復合材料的同時，也就獲得了制件，從而減少了零部件、緊固件和接頭的數(shù)目，并可節(jié)省原材料和工時。

復合材料在航空國防領(lǐng)域的發(fā)展及應用

復合材料的發(fā)展對航空裝備的發(fā)展有著重要意義。飛機性能一半取決于設(shè)計，另一半取決于材料。材料的優(yōu)劣對速度、高度、航程、機動性、隱身性、服役壽命、安全可靠性、可維修性等性能起無可置疑的重大影響。根據(jù)統(tǒng)計，飛機減重中有70%是由航空材料技術(shù)進步貢獻的。使用碳纖維增強樹脂基復合材料的飛機，在減輕飛機重量、減少燃油、減少維修成本和延長飛機使用壽命上有明顯優(yōu)勢。

1、軍用飛機

目前世界先進軍機中復合材料用量占全機結(jié)構(gòu)重量的20%-50%不等，主要應用復合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、機翼、中前機身等。如果復合材料占飛機總重量的50%左右，則全機絕大部分結(jié)構(gòu)件由復合材料制成，如B-2隱形轟炸機。

2、民用飛機

復合材料在民機的應用大概經(jīng)歷了4個過程。

第一個階段，20世紀70年代中期，復合材料主要應用于受力較小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構(gòu)件上。

第二個階段，20世紀80年代中期，復合材料主要應用在受力較小的升降舵、襟副翼等構(gòu)件。

第三個階段，復合材料應用在受力較大的垂尾、平尾等構(gòu)件上。例如波音777飛機的垂尾、平尾都采用了復合材料，復合材料占結(jié)構(gòu)總重量的11%。

第四個階段，復合材料在飛機最主要受力部件機翼、機身上得到應用。波音787夢想飛機的復合材料用量為50%，超過了鋁、鋼、鈦等金屬材料重量的總和。

3、直升機

軍用、民用和輕型直升機均大量應用碳纖維復合材料，直升機復合材料用量已達到結(jié)構(gòu)重量的40%-60%。例如，美國武裝直升機RAH-66的復合材料使用量為50%；歐洲NH-90直升機的復合材料使用量達到80%，接近全復合材料結(jié)構(gòu)。

4、無人機

軍用無人機對減重有著迫切的需求，因此復合材料大量應用于無人機上。例如，美國X-45系列飛機的復合材料用量達90%以上；X-47系列飛機基本上為全復合材料飛機，“全球鷹”無人偵察機復合材料用量達65%，其中機翼、尾翼、后機身、大型雷達罩等均由復合材料制成；歐洲的試驗無人機“梭魚”、美國遠程攻擊無人機“臭鼬”等的情況也基本如此。

5、航空發(fā)動機

復合材料的用量和占比也成為衡量航空發(fā)動機先進程度的一個度量。樹脂基復合材料優(yōu)異的比強度和比模量性能對于高推比航空發(fā)動機的減重、提高推進效率、降低噪聲和排放以及降低成本等都具有重要意義，主要應用在航空發(fā)動機的冷端部件上，工作溫度在150-200℃以下，例如渦扇發(fā)動機壓氣機葉片、導向葉片及其框架組件、渦扇發(fā)動機鼻錐及整流裝置等。

在熱端部件上，由于高溫等特殊條件的要求，金屬基、陶瓷基及碳/碳復合材料有著重要應用。

SiC長纖維增強鈦基復合材料（Ti-MMC）具有高比強度、高比剛度、耐高溫、抗疲勞性好和蠕變性能好的優(yōu)點，Ti-MMC葉環(huán)代替壓氣機盤可使零部件減重70%。未來航空發(fā)動機壓氣機葉片和鏡子葉片、整體葉環(huán)、機匣和渦輪軸等都將采用金屬基復合材料進行制造。陶瓷基復合材料一直是高溫材料研究的重點，精細陶瓷和氮化硅制造的發(fā)動機部件可以在1371℃溫度下工作，性能甚至優(yōu)于高溫合金。

6、其他國防軍工行業(yè)

纖維增強復合材料具有放熱、隔熱、耐高溫等特性，廣泛的應用于航天工業(yè)上。

高強度玻璃纖維樹脂基復合材料可以用作多管遠程火箭彈和空空導彈結(jié)構(gòu)材料和耐燒蝕隔熱材料，實現(xiàn)了噴管收斂段、擴張段和尾翼架整體化，大大減輕了武器質(zhì)量，提高戰(zhàn)術(shù)性能。

碳纖維復合材料在固體火箭發(fā)動機上也得到了較好的應用，很多導彈型號均采用了復合材料的固體火箭發(fā)動機。美國的戰(zhàn)略導彈MX導彈、俄羅斯戰(zhàn)略導彈“白楊”M導彈等均采用了先進復合材料的發(fā)射筒。

艦船復合材料技術(shù)也有迅速的發(fā)展，已基本達到了實際應用水平，簡化制造、降低成本成為當前技術(shù)的重點。美國海軍裝備已經(jīng)大量應用復合材料。英國海軍的驅(qū)逐艦也安裝了夾芯結(jié)構(gòu)復合材料的綜合桅桿，具有隱身、減少天線維護等特點。

我國航空復合材料發(fā)展

中國從20世紀60年代開始進行復合材料在飛機結(jié)構(gòu)上應用的研究，70年代中期研制成功了復合材料戰(zhàn)斗機進氣道壁板，1985年帶有復合材料垂尾的戰(zhàn)斗機成功首飛，1995年成功研制帶有整體油箱的復合材料機翼。

目前，國內(nèi)幾乎所有在役軍機均在不同部件上采用了復合材料。目前國內(nèi)形成了以環(huán)氧、雙馬和聚酰亞胺為主要集體的復合材料體系，以熱熔預浸制造技術(shù)和熱壓罐成形技術(shù)為主的復合材料成型技術(shù)體系。我國航空樹脂基復合材料的力學性能已經(jīng)初步滿足主承力結(jié)構(gòu)的要求，結(jié)構(gòu)——功能一體化工作尚在預研，低成本技術(shù)仍然比較薄弱。航空樹脂基復合材料在現(xiàn)役飛機上的應用包括前機身、垂尾、平尾、副翼、方向舵、鴨翼、腹鰭、機翼隔板、各種口蓋等。在直升機上的應用主要包括旋翼、垂尾、機身和尾槳等。

在新一代軍機上，復合材料主要應用在機翼、鴨翼、尾翼、垂尾、中機身壁板、腹鰭、武器艙門等，用量達到結(jié)構(gòu)重量的19%。大型運輸機的復合材料用量在10%左右，主要用在垂尾、平尾、方向舵、升降舵、襟翼、副翼、蒸餾張等。新一代直升機的復合材料用量在34%左右，主要有斜梁、平尾、整流罩、蒙皮、尾梁、中機身側(cè)壁板等，部分承力結(jié)構(gòu)對復合材料的使用使得復合材料的應用規(guī)模有了本質(zhì)改變。

預計隨著相關(guān)復合材料和結(jié)構(gòu)材料技術(shù)的突破，未來國產(chǎn)軍機中復合材料用量將提高到25%左右，減重效率由20%提高到30%，在機翼、機身等主承力結(jié)構(gòu)上更多的采用復合材料，減重的同時將充分發(fā)揮復合材料耐腐蝕、隱身、保形天線等優(yōu)勢。

審核編輯 ：李倩