高性能纖維及其復(fù)合材料是航空航天材料的重要組成部分，它能有效降低飛機(jī)、運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈、衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)重量，增加有效載荷和射程，降低成本。在航空領(lǐng)域，高性能纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用幾乎遍布飛機(jī)各個(gè)部位，包括垂尾、平尾、機(jī)身蒙皮以及機(jī)翼壁板和蒙皮等，同時(shí)還可以作為透波復(fù)合材料和吸波隱身復(fù)合材料應(yīng)用；在航天領(lǐng)域，高性能纖維及其復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航天器結(jié)構(gòu)件，包括衛(wèi)星中心承力筒、各種儀器安裝結(jié)構(gòu)板等。在戰(zhàn)略導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭上被用于火箭的排氣錐體、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、燃燒室殼體、噴管、喉襯、擴(kuò)散段及整流罩等部位，在固體發(fā)動(dòng)機(jī)上用于殼體纏繞，可減輕重量，增加有效負(fù)荷，節(jié)省動(dòng)力燃料。同時(shí)還可以作為防熱耐燒蝕復(fù)合材料和梯度功能復(fù)合材料應(yīng)用。未來(lái)航空航天用纖維材料將進(jìn)一步朝著高性能化、多功能化和低成本化發(fā)展，出于現(xiàn)代高性能飛行器發(fā)展的需要，結(jié)構(gòu)－功能一體化和智能化也是重要發(fā)展方向。

碳纖維

航空航天是國(guó)際碳纖維應(yīng)用的傳統(tǒng)市場(chǎng)，也是主要市場(chǎng)之一。自20世紀(jì)60年代碳纖維首次商業(yè)化以來(lái)，碳纖維作為金屬材料優(yōu)良的替代品而首先開(kāi)始在輕量化要求最為迫切的航空航天領(lǐng)域得到關(guān)注；80年代初，為滿足新型波音飛機(jī)開(kāi)發(fā)的要求，聚丙烯腈基碳纖維開(kāi)始向超高強(qiáng)、高斷裂伸長(zhǎng)率方向發(fā)展，隨后日本東麗（Toray）公司開(kāi)發(fā)出T800（抗拉強(qiáng)度5490 MPa，抗拉伸模量294 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率1.9%）碳纖維，才真正帶動(dòng)了碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。此后，東麗又開(kāi)發(fā)出T1000（抗拉強(qiáng)度7060 MPa，抗拉伸模量294GPa，斷裂伸長(zhǎng)率2.4%）及以上的超高強(qiáng)系列碳纖維。從80年代中期開(kāi)始，為適應(yīng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件對(duì)高強(qiáng)、高模同時(shí)并重的需求，東麗公司又在高模碳纖維M40和M50的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)高模型“MJ”系列產(chǎn)品，如M60J（抗拉強(qiáng)度3920 GPa，抗拉伸模量588 GPa）及以上碳纖維。因此，所謂的航空航天級(jí)碳纖維主要是指以高強(qiáng)、高模為代表的高性能碳纖維。

總體來(lái)看，現(xiàn)階段航空航天領(lǐng)域用碳纖維及其復(fù)合材料仍由日本、歐美企業(yè)主導(dǎo)，包括日本東麗公司及其收購(gòu)的復(fù)合材料企業(yè)、三菱化學(xué)公司、帝人（Teijin）公司、美國(guó)Hexcel（赫氏）公司、比利時(shí)Solvay（索爾維）集團(tuán)（2015年收購(gòu)了美國(guó)Cytec（氰特化工））等。這些公司憑借廣泛的產(chǎn)品組合、全球影響力和強(qiáng)大的研發(fā)能力，已成為航空航天和國(guó)防市場(chǎng)全球碳纖維的領(lǐng)導(dǎo)者。他們不斷努力通過(guò)戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系、并購(gòu)和產(chǎn)品創(chuàng)新來(lái)夯實(shí)自己的市場(chǎng)地位。隨著新參與者的進(jìn)入和創(chuàng)新技術(shù)的出現(xiàn)，航空航天和國(guó)防市場(chǎng)中全球碳纖維的市場(chǎng)份額正在不斷變化。此外，材料供應(yīng)商、制造商和最終用戶之間的合作正在促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步并拓展市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

陶瓷材料

陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，在高溫隔熱、吸音、催化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。碳化硅（SiC）纖維是一種以碳和硅為主要成分的高性能陶瓷材料，具有高溫耐氧化性、高硬度、高強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和密度小等優(yōu)點(diǎn)，是最為理想的航空航天耐高溫、增強(qiáng)和隱身材料之一，通常以一維形式的纖維、二維形式和三維形式的纖維集合體、非織造織物的形式應(yīng)用于零部件。

該纖維自上市迄今已有30多年，目前領(lǐng)先的生產(chǎn)商集中在日本和美國(guó)。其中，日本碳素公司（Nippon Carbon）的產(chǎn)能達(dá)120 t／a，UBE工業(yè)株式會(huì)社在含鈦SiC纖維（Tyranno）方面居世界領(lǐng)先水平。后者有標(biāo)準(zhǔn)型（非晶質(zhì)）和高溫型（多晶質(zhì)）品類，高溫型產(chǎn)品可耐1800 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)型的20倍。Tyranno SA3是經(jīng)Ar＋離子束照射，使表面結(jié)晶微細(xì)化，拉伸強(qiáng)度由照射前的2.8 GPa提高至3.1 GPa。美國(guó)NASA的無(wú)氧SiC纖維迄今無(wú)人可敵，最高耐熱溫度高達(dá)1800 ～ 2000 ℃，其摻硼的SiC纖維“Sylramic”強(qiáng)度高達(dá) 3 GPa；美國(guó)特種材料公司生產(chǎn)的SiC纖維直徑142μm，拉伸強(qiáng)度和模量各為3900 ～5900 MPa和380 ～ 415 GPa，熱膨脹系數(shù)4.1 ppm／℃。

我國(guó)有國(guó)防科技大學(xué)等高校、科研院所和蘇州賽力菲等企業(yè)研發(fā)和小批量生產(chǎn)SiC纖維。國(guó)防科技大學(xué)研究以SiC纖維為原料，通過(guò)真空退火制得連續(xù)石墨烯纖維（GFS）和石墨烯／SiC纖維。這種連續(xù)石墨烯密度為1.63 g／cm3，電導(dǎo)率為53900 S／m，拉伸強(qiáng)度和模量各為0.22 GPa和23 GPa，電磁干擾屏蔽效率62.8 dB。石墨烯／SiC纖維絲束柔韌性好，在樣品厚度為2.1 mm時(shí)，可實(shí)現(xiàn)－54.86 dB的最小反射損耗（RL）值，當(dāng)樣品厚度為1.4 mm時(shí)，纖維的有效吸收寬度可達(dá)4.4 GHz。寧波材料所杭州灣研究院發(fā)明了含硼碳化硅纖維（B－SiC纖維），原料為有機(jī)硅聚合物，力學(xué)性能比SiC纖維高，并附加特殊功能。中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院研制的SiC增強(qiáng)陶瓷基抗燒蝕復(fù)合材料，是將SiC與ZrSi2、ZrB2或ZrC等功能粉體的料漿制成單向帶預(yù)浸料后，熱壓成型制備預(yù)制體，再碳化、熔滲制得陶瓷基復(fù)合材料。其中引入鋯化物后，在高溫氧化時(shí)能生成SiO2和ZrO2而起協(xié)同作用，能有效阻止氧化介質(zhì)進(jìn)入復(fù)合材料內(nèi)部從而提高抗燒蝕和抗氧化性能。

氣凝膠材料

航空航天用飛行器在飛行時(shí)需承受長(zhǎng)時(shí)間氣動(dòng)加熱，基體表面將產(chǎn)生高溫，為了保證飛行器的主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部?jī)x器設(shè)備的安全，須使用高效隔熱材料阻止外部熱流向內(nèi)部擴(kuò)散。同時(shí)，輕質(zhì)高效的隔熱防護(hù)系統(tǒng)對(duì)降低飛行器載荷、延長(zhǎng)飛行距離等均具有重要的意義。目前，常用的隔熱材料主要包括酚醛樹(shù)脂、納米顆粒氣凝膠、纖維氈等。其中，酚醛樹(shù)脂泡沫具有較低的體積密度和導(dǎo)熱系數(shù)，體積密度為120 mg／cm3的酚醛樹(shù)脂泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)為0.057 W／（m·K），但材料本體延伸率低、質(zhì)脆、硬度大、不耐彎曲、在高溫下易分解等缺陷限制了其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展；納米顆粒氣凝膠材料（主要為SiO2）具有極小的孔徑、超高孔隙率和比表面積，賦予了材料極低的導(dǎo)熱系數(shù)，然而納米顆粒氣凝膠脆性大、不可壓縮，同時(shí)納米顆粒在使用過(guò)程中易脫落且在高溫下可發(fā)生融合，從而使材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和隔熱性能下降，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。與前兩者相比，纖維材料具有長(zhǎng)徑比大、孔隙率高、耐振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)隨著纖維直徑從微米數(shù)量級(jí)下降至納米數(shù)量級(jí)，材料的孔徑將會(huì)顯著下降，孔隙率將會(huì)大幅提高，從而使材料的隔熱性能等顯著提升。

氣凝膠最早由Kistler在1931年合成，是目前最輕的固體，具有熱導(dǎo)率低、密度低、氣孔率高和比表面積大的優(yōu)異特性，在光學(xué)、過(guò)濾、催化和隔熱等方面有重要應(yīng)用。

基于氣凝膠和纖維材料，NASA開(kāi)始研制能夠滿足航天器結(jié)構(gòu)材料和隔熱材料要求的多功能復(fù)合材料。如NASA肯尼迪航天中心（KSC）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種多功能氣凝膠／纖維混雜層壓復(fù)合材料的制造方法，可以通過(guò)選擇不同的纖維層（如聚酯、碳纖維、Kevlar®纖維、Spectra®纖維、Innegra纖維或其組合）、不同的氣凝膠層厚度及不同的復(fù)合結(jié)構(gòu)，制成不同功能或多功能的復(fù)合材料。這種輕量化、高強(qiáng)度的多功能復(fù)合材料可滿足航空航天器在防熱、耐沖擊、能量吸收、吸音等方面的要求。

航天器空調(diào)用纖維材料

飛機(jī)用空調(diào)濾材要求具有高效過(guò)濾功能，包括過(guò)濾塵埃和吸附各種臭味等，以保證客艙及駕駛艙內(nèi)空氣清新。這種濾材本身還要求具有輕量、阻燃、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性高、無(wú)毒、耐高低溫性能和解吸功能。最理想的材料便是活性炭纖維（ACF）非織造布或氈，其比表面積甚大，比粒狀活性炭具有10倍以上的吸附速度，材質(zhì)有粘膠基、PAN基和酚醛基ACF，各有不同的吸附能力和選擇性，一般其BET比表面積為1000 ～2500 m2／g，比粒狀活性炭大很多。

來(lái)源：紡織導(dǎo)報(bào)