新材料故事 | 航空航天復(fù)合材料：唯有創(chuàng)新才能持續(xù)發(fā)展
來源：中國建材總院、哈玻院 發(fā)布時(shí)間：2022-08-24
編者按
當(dāng)材料醒來的那一刻，它將成為你生活中的一段感受。看、聽、觸摸......置身其中，材料無處不在。中國建材集團(tuán)的能工巧匠們，實(shí)驗(yàn)、堅(jiān)守、創(chuàng)新，鍥而不舍，只為成就材料背后的可能，開發(fā)材料蘊(yùn)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(shè)、服務(wù)國家重大工程、服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、服務(wù)人民美好生活......
《新材料故事》，將用通俗易懂的話語，讓大家更好認(rèn)識(shí)身邊無處不在的新材料，為大家講述我們與社會(huì)發(fā)展、人類生活齊步走的故事。
復(fù)合材料科普
復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。近代復(fù)合材料主要指人工特意復(fù)合而成的一種新型材料體系，成功制造要從1942年開始算起。第二次世界大戰(zhàn)期間，玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂基復(fù)合材料被美國空軍用于制造飛機(jī)構(gòu)件。
復(fù)合材料發(fā)展第一代
1942——1960年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料時(shí)代。
復(fù)合材料發(fā)展第二代
1960——1980年，先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展時(shí)代，主要研究增強(qiáng)材料，英國研制碳纖維，美國研制了Kevlar纖維。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、Kevlar纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料用于飛機(jī)、火箭的主承力構(gòu)件。
先進(jìn)復(fù)合材料：進(jìn)入20世紀(jì)70年代，開發(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(qiáng)材料，并使用高性能樹脂、金屬與陶瓷為基體，制成先進(jìn)復(fù)合材料(Advanced Composite Materials,簡稱ACM)，是用于飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。
復(fù)合材料發(fā)展第三代
1980——1990年，纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)代，其中鋁基復(fù)合材料應(yīng)用最廣泛；同時(shí)陶瓷基復(fù)合材料也得到研究和發(fā)展。
復(fù)合材料發(fā)展第四代
1990——至今，多功能復(fù)合材料時(shí)代，壓電復(fù)合材料、導(dǎo)電復(fù)合材料、磁性復(fù)合材料、摩擦功能復(fù)合材料、阻尼功能復(fù)合材料、機(jī)敏復(fù)合材料和智能復(fù)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(fù)合材料研制的道路上從來沒有坦途，只有依靠堅(jiān)強(qiáng)意志和不懈堅(jiān)持。上世紀(jì)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(jī)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(yīng)性有一定的限制，預(yù)浸材料制造工藝難度較大。相反，濕法工藝適應(yīng)性強(qiáng)，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(dāng)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，哈玻院開始研制新型的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，1967年哈玻院研制大直徑的玻璃鋼殼體，對纏繞機(jī)、芯模和工藝參數(shù)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(jì)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)問題。從上世紀(jì)80年代初至今，幾十年間，哈玻院針對玻璃鋼殼體氣密性問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(jī)殼體，通過國家建材局和航天工業(yè)部主持的部級(jí)技術(shù)鑒定。1988年，哈玻院承擔(dān)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(chǔ)上，進(jìn)一步完善和改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體芯模結(jié)構(gòu)，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(yùn)載火箭系統(tǒng)的衛(wèi)星變軌發(fā)動(dòng)機(jī)，參加了我國大推力捆綁式火箭的首次發(fā)射試驗(yàn)，成功通過了飛行考核，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(wèi)星發(fā)射市場做出了貢獻(xiàn)。
復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)是由加強(qiáng)筋與蒙皮組成，加強(qiáng)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(qiáng)肋與蒙皮后裝配成型等等。哈玻院在國內(nèi)率先進(jìn)行復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)研究，起步于20世紀(jì)80年代。1982年針對航天需求，哈玻院初步探討了復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)縱向和環(huán)向筋成型方法、通過膠接和鉚接與蒙皮連接的結(jié)構(gòu)形式和工藝過程，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，試驗(yàn)證明了其結(jié)構(gòu)效率遠(yuǎn)高于常用的復(fù)合材料光殼結(jié)構(gòu)。哈玻院成功將該技術(shù)應(yīng)用于某型號(hào)碳纖維復(fù)合材料連接裙，相比鋁合金結(jié)構(gòu)減重33%以上。
1999年8月，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的輕量化，哈玻院研究開發(fā)了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(fù)合材料精密離心機(jī)大臂，經(jīng)試驗(yàn)該部件滿足了軸向強(qiáng)度高、軸向線膨脹系數(shù)幾乎為零的嚴(yán)苛技術(shù)要求，為今后研究開發(fā)航天用零膨脹系數(shù)的復(fù)合材料部件奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
上世紀(jì)90年代后期，哈玻院開始了纖維纏繞復(fù)合材料環(huán)形壓力容器成型工藝及纏繞設(shè)備的研究，在國內(nèi)研究開發(fā)出獨(dú)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(nèi)多項(xiàng)航天工程中獲得應(yīng)用。
產(chǎn)品應(yīng)用
哈玻院昂首走過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(xiàng)國家任務(wù)，在積累了相應(yīng)的技術(shù)條件和成果的基礎(chǔ)上，承擔(dān)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(jì)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(yīng)用于航空航天、新能源汽車等領(lǐng)域。
衛(wèi)星領(lǐng)域
哈玻院于1983年在空間衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)上使用碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料開展了預(yù)研工作，以衛(wèi)星的主承力結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量30%以上，性能全部達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
航空航天領(lǐng)域
哈玻院承擔(dān)了神舟號(hào)飛船多種復(fù)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，均獲得圓滿成功，保證了神舟號(hào)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(fù)合材料構(gòu)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(xiàn)。
用戶體驗(yàn)
哈玻院為航天部門研制的產(chǎn)品圓滿完成各項(xiàng)重大工程任務(wù)，科研生產(chǎn)任務(wù)全面完成，實(shí)現(xiàn)了“十四五”良好開局；為長征五號(hào)火箭輔助動(dòng)力系統(tǒng)配套生產(chǎn)的氣瓶和貯箱復(fù)合材料安裝支架生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、質(zhì)量可靠，經(jīng)過火箭飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，完全滿足飛行使用要求；為天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船研制的貨運(yùn)飛船推進(jìn)艙推進(jìn)分系統(tǒng)主承力結(jié)構(gòu)體，該產(chǎn)品具有輕質(zhì)高強(qiáng)高剛度、承載能力大、精度高等特點(diǎn)，解決型號(hào)任務(wù)研制各項(xiàng)技術(shù)難題；第三事業(yè)部“高鐵關(guān)鍵復(fù)合材料構(gòu)件項(xiàng)目”性能滿足任務(wù)要求，經(jīng)受住了挑戰(zhàn)和考驗(yàn)，榮獲全國機(jī)械冶金建材行業(yè)職工技術(shù)創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)。