複合材料，是由兩種或兩種以上不同性質的材料，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，產生協同效應，使複合材料的綜合性能優於原組成材料而滿足各種不同的要求。複合材料的用量已成為衡量軍用裝備先進性的重要標誌。複合材料的興起豐富了現代材料家族。尤其是具備高強度、高模量、低比重碳纖維增強複合材料的出現，使其成為各類軍民裝備重要的候選材料之一。
複合材料的分類
複合材料可以根據基體材料類別、增強材料形態、複合材料功能的不同來進行分類。
1、按基體材料類別，複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、鈦基複合材料等；
2、按增強材料形態，複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、碳纖維複合材料等；
3、按材料功能，複合材料可分為結構複合材料、功能複合材料及智能複合材料，如導電複合材料、光導纖維、形狀記憶合金等。
複合材料的特性
與普通材料相比，複合材料具有許多特性，可改善或克服單一材料的弱點，充分發揮各材料的優勢，並賦予材料新的性能；可按照構件的結構和受力要求，給出預定的分布合理的配套性能，進行材料最佳性能設計等。
具體表現在：
1、高比強度和髙比模量。複合材料的突出優點是比強度和比模量高。如碳纖維增強樹脂複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。纖維複合材料，特別是樹脂基複合材料對缺口、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複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。纖維複合材料中有大量獨立存在的纖維，一般每平方釐米上有幾千到幾萬根，由具有韌性的基體把它們結合成整體，當纖維複合材料構件由於超載或其他原因使少數纖維斷裂時，荷載就會重新分配到其他未斷裂的纖維上，使構件不至於在短時間內發生突然破壞。因此複合材料都具有比較高的抗斷裂韌性。
4、減振性能好。結構的自振頻率與結構本身的質量和形狀有關，並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下產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。由於纖維材料在高溫下仍能保持較高的強度，所以纖維增強複合材料，如碳纖維增強樹脂複合材料的耐熱性比樹脂基體有明顯提高。而金屬基複合材料在耐熱性方面更顯示出其優越性，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複合材料，在500°C下能保持室溫強度的40%。碳化矽纖維、氧化鋁纖維與陶瓷複合，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。很多種複合材料都能耐酸鹼腐蝕，如玻璃纖維增強酚醛樹脂複合材料，在含氯離子的酸性介質中能長期使用，可用來製造耐強酸、鹽、酯和某些溶劑的化工管道、泵、閥、容器和攪拌器等設備。
7、較優良的減摩性、耐磨性、自潤滑性。由於複合材料構件製造工藝簡單，表現出良好的工藝性能，所以適合整體成型。在製造複合材料的同時，也就獲得了製件，從而減少了零部件、緊固件和接頭的數目，並可節省原材料和工時。
複合材料在航空國防領域的發展及應用
複合材料的發展對航空裝備的發展有著重要意義。飛機性能一半取決於設計，另一半取決於材料。材料的優劣對速度、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。根據統計，飛機減重中有70%是由航空材料技術進步貢獻的。使用碳纖維增強樹脂基複合材料的飛機，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勢。
1、軍用飛機
目前世界先進軍機中複合材料用量佔全機結構重量的20%-50%不等，主要應用複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。如果複合材料佔飛機總重量的50%左右，則全機絕大部分結構件由複合材料製成，如B-2隱形轟炸機。
2、民用飛機
複合材料在民機的應用大概經歷了4個過程。
▲第一個階段，20世紀70年代中期，複合材料主要應用於受力較小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構件上。
▲第二個階段，20世紀80年代中期，複合材料主要應用在受力較小的升降舵、襟副翼等構件。
▲第三個階段，複合材料應用在受力較大的垂尾、平尾等構件上。例如波音777飛機的垂尾、平尾都採用了複合材料，複合材料佔結構總重量的11%。
▲第四個階段，複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夢想飛機的複合材料用量為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複合材料，直升機複合材料用量已達到結構重量的40%-60%。例如，美國武裝直升機RAH-66的複合材料使用量為50%；歐洲NH-90直升機的複合材料使用量達到80%，接近全複合材料結構。
4、無人機
軍用無人機對減重有著迫切的需求，因此複合材料大量應用於無人機上。例如，美國X-45系列飛機的複合材料用量達90%以上；X-47系列飛機基本上為全複合材料飛機，「全球鷹」無人偵察機複合材料用量達65%，其中機翼、尾翼、後機身、大型雷達罩等均由複合材料製成；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、航空發動機
複合材料的用量和佔比也成為衡量航空發動機先進程度的一個度量。樹脂基複合材料優異的比強度和比模量性能對於高推比航空發動機的減重、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，主要應用在航空發動機的冷端部件上，工作溫度在150-200℃以下，例如渦扇發動機壓氣機葉片、導向葉片及其框架組件、渦扇發動機鼻錐及整流裝置等。
在熱端部件上，由於高溫等特殊條件的要求，金屬基、陶瓷基及碳/碳複合材料有著重要應用。
SiC長纖維增強鈦基複合材料（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點，Ti-MMC葉環代替壓氣機盤可使零部件減重70%。未來航空發動機壓氣機葉片和鏡子葉片、整體葉環、機匣和渦輪軸等都將採用金屬基複合材料進行製造。陶瓷基複合材料一直是高溫材料研究的重點，精細陶瓷和氮化矽製造的發動機部件可以在1371℃溫度下工作，性能甚至優於高溫合金。
6、其他國防軍工行業
纖維增強複合材料具有放熱、隔熱、耐高溫等特性，廣泛的應用於航天工業上。
高強度玻璃纖維樹脂基複合材料可以用作多管遠程火箭彈和空空飛彈結構材料和耐燒蝕隔熱材料，實現了噴管收斂段、擴張段和尾翼架整體化，大大減輕了武器質量，提高戰術性能。
碳纖維複合材料在固體火箭發動機上也得到了較好的應用，很多飛彈型號均採用了複合材料的固體火箭發動機。美國的戰略飛彈MX飛彈、俄羅斯戰略飛彈「白楊」M飛彈等均採用了先進複合材料的發射筒。
艦船複合材料技術也有迅速的發展，已基本達到了實際應用水平，簡化製造、降低成本成為當前技術的重點。美國海軍裝備已經大量應用複合材料。英國海軍的驅逐艦也安裝了夾芯結構複合材料的綜合桅杆，具有隱身、減少天線維護等特點。
我國航空複合材料發展
中國從20世紀60年代開始進行複合材料在飛機結構上應用的研究，70年代中期研製成功了複合材料戰鬥機進氣道壁板，1985年帶有複合材料垂尾的戰鬥機成功首飛，1995年成功研製帶有整體油箱的複合材料機翼。
目前，國內幾乎所有在役軍機均在不同部件上採用了複合材料。目前國內形成了以環氧、雙馬和聚醯亞胺為主要集體的複合材料體系，以熱熔預浸製造技術和熱壓罐成形技術為主的複合材料成型技術體系。我國航空樹脂基複合材料的力學性能已經初步滿足主承力結構的要求，結構——功能一體化工作尚在預研，低成本技術仍然比較薄弱。航空樹脂基複合材料在現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，複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，用量達到結構重量的19%。大型運輸機的複合材料用量在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。新一代直升機的複合材料用量在34%左右，主要有斜梁、平尾、整流罩、蒙皮、尾梁、中機身側壁板等，部分承力結構對複合材料的使用使得複合材料的應用規模有了本質改變。
預計隨著相關複合材料和結構材料技術的突破，未來國產軍機中複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、機身等主承力結構上更多的採用複合材料，減重的同時將充分發揮複合材料耐腐蝕、隱身、保形天線等優勢。
文章來源：網絡
原標題：《【科普知識】軍工材料：複合材料用途詳解》
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