新材料故事 | 航空航天復合材料：唯有創(chuàng )新才能持續發(fā)展
來(lái)源：中國建材總院、哈玻院 發(fā)布時(shí)間：2022-08-24
編者按
當材料醒來(lái)的那一刻，它將成為你生活中的一段感受?？?、聽(tīng)、觸摸......置身其中，材料無(wú)處不在。中國建材集團的能工巧匠們，實(shí)驗、堅守、創(chuàng )新，鍥而不舍，只為成就材料背后的可能，開(kāi)發(fā)材料蘊含的寶藏。我們始終心懷“國之大者”，打造“國之大材”，服務(wù)國防建設、服務(wù)國家重大工程、服務(wù)國民經(jīng)濟主戰場(chǎng)、服務(wù)人民美好生活......
《新材料故事》，將用通俗易懂的話(huà)語(yǔ)，讓大家更好認識身邊無(wú)處不在的新材料，為大家講述我們與社會(huì )發(fā)展、人類(lèi)生活齊步走的故事。
復合材料科普
復合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過(guò)物理或化學(xué)的方法，在宏觀(guān)（微觀(guān)）上組成具有新性能的材料。近代復合材料主要指人工特意復合而成的一種新型材料體系，成功制造要從1942年開(kāi)始算起。第二次世界大戰期間，玻璃纖維增強聚酯樹(shù)脂基復合材料被美國空軍用于制造飛機構件。
復合材料發(fā)展第一代
1942——1960年，玻璃纖維增強塑料時(shí)代。
復合材料發(fā)展第二代
1960——1980年，先進(jìn)復合材料發(fā)展時(shí)代，主要研究增強材料，英國研制碳纖維，美國研制了Kevlar纖維。碳纖維增強環(huán)氧樹(shù)脂、Kevlar纖維增強環(huán)氧樹(shù)脂復合材料用于飛機、火箭的主承力構件。
先進(jìn)復合材料：進(jìn)入20世紀70年代，開(kāi)發(fā)了一批如碳纖維、碳化硅纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能增強材料，并使用高性能樹(shù)脂、金屬與陶瓷為基體，制成先進(jìn)復合材料(Advanced Composite Materials,簡(jiǎn)稱(chēng)ACM)，是用于飛機、火箭、衛星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。
復合材料發(fā)展第三代
1980——1990年，纖維增強金屬基復合材料時(shí)代，其中鋁基復合材料應用最廣泛；同時(shí)陶瓷基復合材料也得到研究和發(fā)展。
復合材料發(fā)展第四代
1990——至今，多功能復合材料時(shí)代，壓電復合材料、導電復合材料、磁性復合材料、摩擦功能復合材料、阻尼功能復合材料、機敏復合材料和智能復合材料，得到了研究和發(fā)展。
研發(fā)中的技術(shù)攻關(guān)
在復合材料研制的道路上從來(lái)沒(méi)有坦途，只有依靠堅強意志和不懈堅持。上世紀60年代中期，“干法立式”纏繞工藝適用于制造玻璃鋼發(fā)動(dòng)機燃燒室殼體技術(shù)才成定論，干法工藝雖然有點(diǎn)明顯，但對殼體幾何的適應性有一定的限制，預浸材料制造工藝難度較大。相反，濕法工藝適應性強，基體材料的選擇范圍較寬，用途廣泛，哈玻院選擇濕法纏繞工藝作為研究重點(diǎn)，當時(shí)濕法工藝涉及的技術(shù)難題并不比干法少，在某些方面難度更大，無(wú)前路可循，只能靠自己蹚出一條路，要花更大的力氣，流更多的汗水。
1966年，哈玻院開(kāi)始研制新型的發(fā)動(dòng)機殼體，1967年哈玻院研制大直徑的玻璃鋼殼體，對纏繞機、芯模和工藝參數等方面都是嶄新的課題，技術(shù)上難度之大，可想而知。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藝，最終解決了絕熱包覆技術(shù)問(wèn)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氣密性問(wèn)題形成完整解決方案，研制的玻璃鋼殼體的可靠性大幅提升。1985年，哈玻院研制的固體火箭玻璃鋼發(fā)動(dòng)機殼體，通過(guò)國家建材局和航天工業(yè)部主持的部級技術(shù)鑒定。1988年，哈玻院承擔了我國火箭用玻璃鋼燃燒室殼體的研制任務(wù)。在前期研制基礎上，進(jìn)一步完善和改進(jìn)發(fā)動(dòng)機殼體芯模結構，包覆工藝和纏繞工藝，使殼體性能提高到一個(gè)新水平。在反噴管技術(shù)、工藝精度控制和質(zhì)量保證技術(shù)方面也有新的突破。1990年7月19日，哈玻院研制的SPTM-14玻璃鋼殼體用于運載火箭系統的衛星變軌發(fā)動(dòng)機，參加了我國大推力捆綁式火箭的首次發(fā)射試驗，成功通過(guò)了飛行考核，這是我國玻璃鋼燃燒室殼體制造領(lǐng)域的重大突破，為我國進(jìn)入國際衛星發(fā)射市場(chǎng)做出了貢獻。
復合材料網(wǎng)格加筋結構是由加強筋與蒙皮組成，加強筋形式多種，由一體成型的縱橫筋、正多邊形網(wǎng)格筋到由各種截面形狀的加強肋與蒙皮后裝配成型等等。哈玻院在國內率先進(jìn)行復合材料網(wǎng)格加筋結構研究，起步于20世紀80年代。1982年針對航天需求，哈玻院初步探討了復合材料加筋結構縱向和環(huán)向筋成型方法、通過(guò)膠接和鉚接與蒙皮連接的結構形式和工藝過(guò)程，并進(jìn)行了結構試驗，試驗證明了其結構效率遠高于常用的復合材料光殼結構。哈玻院成功將該技術(shù)應用于某型號碳纖維復合材料連接裙，相比鋁合金結構減重33%以上。
1999年8月，為了實(shí)現復合材料構件的輕量化，哈玻院研究開(kāi)發(fā)了網(wǎng)格結構的纏繞成型工藝技術(shù)，與此同時(shí)，哈玻院研制了碳纖維復合材料精密離心機大臂，經(jīng)試驗該部件滿(mǎn)足了軸向強度高、軸向線(xiàn)膨脹系數幾乎為零的嚴苛技術(shù)要求，為今后研究開(kāi)發(fā)航天用零膨脹系數的復合材料部件奠定了技術(shù)基礎。
上世紀90年代后期，哈玻院開(kāi)始了纖維纏繞復合材料環(huán)形壓力容器成型工藝及纏繞設備的研究，在國內研究開(kāi)發(fā)出獨有的球形容器纏繞技術(shù)和環(huán)形容器纏繞技術(shù)，已在國內多項航天工程中獲得應用。
產(chǎn)品應用
哈玻院昂首走過(guò)62年風(fēng)雨春秋，哈玻人嘔心瀝血、砥礪奮進(jìn)，創(chuàng )新傳承了多項國家任務(wù)，在積累了相應的技術(shù)條件和成果的基礎上，承擔了國家科技攻關(guān)、高技術(shù)、重大裝備工程配套等發(fā)展計劃的研究課題，攻克并研發(fā)出一批科技成果進(jìn)入并跑領(lǐng)跑階段，廣泛應用于航空航天、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域。
衛星領(lǐng)域
哈玻院于1983年在空間衛星主承力結構上使用碳纖維環(huán)氧復合材料開(kāi)展了預研工作，以衛星的主承力結構為模型，研制出主承力錐殼，加筋圓柱殼和支桿，相比原先的鋁合金結構減輕結構質(zhì)量30%以上，性能全部達到了設計要求。
航空航天領(lǐng)域
哈玻院承擔了神舟號飛船多種復合材料組件的研制工作，包括推進(jìn)艙承力截錐、氣瓶安裝支架、軌道艙安裝支板等組件，均獲得圓滿(mǎn)成功，保證了神舟號飛船研制任務(wù)的順利進(jìn)行。為推動(dòng)航天器使用大型高承載復合材料構件的技術(shù)進(jìn)步，縮小我國載人航天技術(shù)與國際先進(jìn)國家的技術(shù)差距做出了卓越的貢獻。
用戶(hù)體驗
哈玻院為航天部門(mén)研制的產(chǎn)品圓滿(mǎn)完成各項重大工程任務(wù)，科研生產(chǎn)任務(wù)全面完成，實(shí)現了“十四五”良好開(kāi)局；為長(cháng)征五號火箭輔助動(dòng)力系統配套生產(chǎn)的氣瓶和貯箱復合材料安裝支架生產(chǎn)工藝穩定、質(zhì)量可靠，經(jīng)過(guò)火箭飛行試驗驗證，完全滿(mǎn)足飛行使用要求；為天舟四號貨運飛船研制的貨運飛船推進(jìn)艙推進(jìn)分系統主承力結構體，該產(chǎn)品具有輕質(zhì)高強高剛度、承載能力大、精度高等特點(diǎn)，解決型號任務(wù)研制各項技術(shù)難題；第三事業(yè)部“高鐵關(guān)鍵復合材料構件項目”性能滿(mǎn)足任務(wù)要求，經(jīng)受住了挑戰和考驗，榮獲全國機械冶金建材行業(yè)職工技術(shù)創(chuàng )新成果一等獎。