新(xīn)材料故事 | 航空航天複合材料：唯有(yǒu)創新(xīn)才能(néng)持續發展
來源：中(zhōng)國(guó)建材總院、哈玻院 發布時間：2022-08-24
編者按
當材料醒來的那一刻，它将成為(wèi)你生活中(zhōng)的一段感受。看、聽、觸摸......置身其中(zhōng)，材料無處不在。中(zhōng)國(guó)建材集團的能(néng)工(gōng)巧匠們，實驗、堅守、創新(xīn)，锲而不舍，隻為(wèi)成就材料背後的可(kě)能(néng)，開發材料蘊含的寶藏。我們始終心懷“國(guó)之大者”，打造“國(guó)之大材”，服務(wù)國(guó)防建設、服務(wù)國(guó)家重大工(gōng)程、服務(wù)國(guó)民(mín)經濟主戰場、服務(wù)人民(mín)美好生活......
《新(xīn)材料故事》，将用(yòng)通俗易懂的話語，讓大家更好認識身邊無處不在的新(xīn)材料，為(wèi)大家講述我們與社會發展、人類生活齊步走的故事。
複合材料科(kē)普
複合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物(wù)理(lǐ)或化學(xué)的方法，在宏觀（微觀）上組成具(jù)有(yǒu)新(xīn)性能(néng)的材料。近代複合材料主要指人工(gōng)特意複合而成的一種新(xīn)型材料體(tǐ)系，成功制造要從1942年開始算起。第二次世界大戰期間，玻璃纖維增強聚酯樹脂基複合材料被美國(guó)空軍用(yòng)于制造飛機構件。
複合材料發展第一代
1942——1960年，玻璃纖維增強塑料時代。
複合材料發展第二代
1960——1980年，先進複合材料發展時代，主要研究增強材料，英國(guó)研制碳纖維，美國(guó)研制了Kevlar纖維。碳纖維增強環氧樹脂、Kevlar纖維增強環氧樹脂複合材料用(yòng)于飛機、火箭的主承力構件。
先進複合材料：進入20世紀70年代，開發了一批如碳纖維、碳化矽纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能(néng)增強材料，并使用(yòng)高性能(néng)樹脂、金屬與陶瓷為(wèi)基體(tǐ)，制成先進複合材料(Advanced Composite Materials,簡稱ACM)，是用(yòng)于飛機、火箭、衛星、飛船等航空航天飛行器的理(lǐ)想材料。
複合材料發展第三代
1980——1990年，纖維增強金屬基複合材料時代，其中(zhōng)鋁基複合材料應用(yòng)最廣泛；同時陶瓷基複合材料也得到研究和發展。
複合材料發展第四代
1990——至今，多(duō)功能(néng)複合材料時代，壓電(diàn)複合材料、導電(diàn)複合材料、磁性複合材料、摩擦功能(néng)複合材料、阻尼功能(néng)複合材料、機敏複合材料和智能(néng)複合材料，得到了研究和發展。
研發中(zhōng)的技(jì )術攻關
在複合材料研制的道路上從來沒有(yǒu)坦途，隻有(yǒu)依靠堅強意志(zhì)和不懈堅持。上世紀60年代中(zhōng)期，“幹法立式”纏繞工(gōng)藝适用(yòng)于制造玻璃鋼發動機燃燒室殼體(tǐ)技(jì )術才成定論，幹法工(gōng)藝雖然有(yǒu)點明顯，但對殼體(tǐ)幾何的适應性有(yǒu)一定的限制，預浸材料制造工(gōng)藝難度較大。相反，濕法工(gōng)藝适應性強，基體(tǐ)材料的選擇範圍較寬，用(yòng)途廣泛，哈玻院選擇濕法纏繞工(gōng)藝作(zuò)為(wèi)研究重點，當時濕法工(gōng)藝涉及的技(jì )術難題并不比幹法少，在某些方面難度更大，無前路可(kě)循，隻能(néng)靠自己蹚出一條路，要花(huā)更大的力氣，流更多(duō)的汗水。
1966年，哈玻院開始研制新(xīn)型的發動機殼體(tǐ)，1967年哈玻院研制大直徑的玻璃鋼殼體(tǐ)，對纏繞機、芯模和工(gōng)藝參數等方面都是嶄新(xīn)的課題，技(jì )術上難度之大，可(kě)想而知。到上世紀70年代末，哈玻院解決了層間或界面的粘接劑和粘接工(gōng)藝，最終解決了絕熱包覆技(jì )術問題。從上世紀80年代初至今，幾十年間，哈玻院針對玻璃鋼殼體(tǐ)氣密性問題形成完整解決方案，研制的玻璃鋼殼體(tǐ)的可(kě)靠性大幅提升。1985年，哈玻院研制的固體(tǐ)火箭玻璃鋼發動機殼體(tǐ)，通過國(guó)家建材局和航天工(gōng)業部主持的部級技(jì )術鑒定。1988年，哈玻院承擔了我國(guó)火箭用(yòng)玻璃鋼燃燒室殼體(tǐ)的研制任務(wù)。在前期研制基礎上，進一步完善和改進發動機殼體(tǐ)芯模結構，包覆工(gōng)藝和纏繞工(gōng)藝，使殼體(tǐ)性能(néng)提高到一個新(xīn)水平。在反噴管技(jì )術、工(gōng)藝精(jīng)度控制和質(zhì)量保證技(jì )術方面也有(yǒu)新(xīn)的突破。1990年7月19日，哈玻院研制的SPTM-14玻璃鋼殼體(tǐ)用(yòng)于運載火箭系統的衛星變軌發動機，參加了我國(guó)大推力捆綁式火箭的首次發射試驗，成功通過了飛行考核，這是我國(guó)玻璃鋼燃燒室殼體(tǐ)制造領域的重大突破，為(wèi)我國(guó)進入國(guó)際衛星發射市場做出了貢獻。
複合材料網格加筋結構是由加強筋與蒙皮組成，加強筋形式多(duō)種，由一體(tǐ)成型的縱橫筋、正多(duō)邊形網格筋到由各種截面形狀的加強肋與蒙皮後裝(zhuāng)配成型等等。哈玻院在國(guó)内率先進行複合材料網格加筋結構研究，起步于20世紀80年代。1982年針對航天需求，哈玻院初步探讨了複合材料加筋結構縱向和環向筋成型方法、通過膠接和鉚接與蒙皮連接的結構形式和工(gōng)藝過程，并進行了結構試驗，試驗證明了其結構效率遠(yuǎn)高于常用(yòng)的複合材料光殼結構。哈玻院成功将該技(jì )術應用(yòng)于某型号碳纖維複合材料連接裙，相比鋁合金結構減重33%以上。
1999年8月，為(wèi)了實現複合材料構件的輕量化，哈玻院研究開發了網格結構的纏繞成型工(gōng)藝技(jì )術，與此同時，哈玻院研制了碳纖維複合材料精(jīng)密離心機大臂，經試驗該部件滿足了軸向強度高、軸向線(xiàn)膨脹系數幾乎為(wèi)零的嚴苛技(jì )術要求，為(wèi)今後研究開發航天用(yòng)零膨脹系數的複合材料部件奠定了技(jì )術基礎。
上世紀90年代後期，哈玻院開始了纖維纏繞複合材料環形壓力容器成型工(gōng)藝及纏繞設備的研究，在國(guó)内研究開發出獨有(yǒu)的球形容器纏繞技(jì )術和環形容器纏繞技(jì )術，已在國(guó)内多(duō)項航天工(gōng)程中(zhōng)獲得應用(yòng)。
産(chǎn)品應用(yòng)
哈玻院昂首走過62年風雨春秋，哈玻人嘔心瀝血、砥砺奮進，創新(xīn)傳承了多(duō)項國(guó)家任務(wù)，在積累了相應的技(jì )術條件和成果的基礎上，承擔了國(guó)家科(kē)技(jì )攻關、高技(jì )術、重大裝(zhuāng)備工(gōng)程配套等發展計劃的研究課題，攻克并研發出一批科(kē)技(jì )成果進入并跑領跑階段，廣泛應用(yòng)于航空航天、新(xīn)能(néng)源汽車(chē)等領域。
衛星領域
哈玻院于1983年在空間衛星主承力結構上使用(yòng)碳纖維環氧複合材料開展了預研工(gōng)作(zuò)，以衛星的主承力結構為(wèi)模型，研制出主承力錐殼，加筋圓柱殼和支杆，相比原先的鋁合金結構減輕結構質(zhì)量30%以上，性能(néng)全部達到了設計要求。
航空航天領域
哈玻院承擔了神舟号飛船多(duō)種複合材料組件的研制工(gōng)作(zuò)，包括推進艙承力截錐、氣瓶安(ān)裝(zhuāng)支架、軌道艙安(ān)裝(zhuāng)支闆等組件，均獲得圓滿成功，保證了神舟号飛船研制任務(wù)的順利進行。為(wèi)推動航天器使用(yòng)大型高承載複合材料構件的技(jì )術進步，縮小(xiǎo)我國(guó)載人航天技(jì )術與國(guó)際先進國(guó)家的技(jì )術差距做出了卓越的貢獻。
用(yòng)戶體(tǐ)驗
哈玻院為(wèi)航天部門研制的産(chǎn)品圓滿完成各項重大工(gōng)程任務(wù)，科(kē)研生産(chǎn)任務(wù)全面完成，實現了“十四五”良好開局；為(wèi)長(cháng)征五号火箭輔助動力系統配套生産(chǎn)的氣瓶和貯箱複合材料安(ān)裝(zhuāng)支架生産(chǎn)工(gōng)藝穩定、質(zhì)量可(kě)靠，經過火箭飛行試驗驗證，完全滿足飛行使用(yòng)要求；為(wèi)天舟四号貨運飛船研制的貨運飛船推進艙推進分(fēn)系統主承力結構體(tǐ)，該産(chǎn)品具(jù)有(yǒu)輕質(zhì)高強高剛度、承載能(néng)力大、精(jīng)度高等特點，解決型号任務(wù)研制各項技(jì )術難題；第三事業部“高鐵關鍵複合材料構件項目”性能(néng)滿足任務(wù)要求，經受住了挑戰和考驗，榮獲全國(guó)機械冶金建材行業職工(gōng)技(jì )術創新(xīn)成果一等獎。