1．前言

先進(jìn)復(fù)合材料的持續(xù)快速發(fā)展，其應(yīng)用價(jià)值日益顯著。在提高航天產(chǎn)品技術(shù)性能方面，復(fù)合材料的應(yīng)用優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在作為輕質(zhì)化的結(jié)構(gòu)材料，更體現(xiàn)在作為滿足各種應(yīng)用需求的先進(jìn)功能材料，以及代表復(fù)合材料技術(shù)高層次發(fā)展的結(jié)構(gòu)/功能一體化和多項(xiàng)功能一體化的高新技術(shù)材料。

作為功能材料，復(fù)合材料在其發(fā)展初期即在防熱和透波兩大技術(shù)領(lǐng)域顯示了其應(yīng)用潛力：為再入飛行器及推進(jìn)系統(tǒng)突破熱障、為各類飛行器實(shí)現(xiàn)通訊和探測信號(hào)的傳輸提供了有效的物質(zhì)保障。隨著武器及裝備的發(fā)展，材料的使用條件日趨苛刻、日漸復(fù)雜，新的、更高的功能要求相繼出現(xiàn)，功能一體化也演變?yōu)橐环N現(xiàn)實(shí)的要求，功能復(fù)合材料的研究和開發(fā)因而倍受重視，其重要地位日益突出。

以下簡要總結(jié)了國內(nèi)航天功能復(fù)合材料研究、應(yīng)用現(xiàn)狀及今后發(fā)展方向與趨勢。

2．航天功能復(fù)合材料分類及使用環(huán)境

相繼研制成的防熱、隔熱、透波、抗沖擊等功能復(fù)合材料已有數(shù)十種，分別適用于不同的使用目的和工作環(huán)境。按其基體的不同，功能復(fù)合材料可分為樹脂基、碳基和陶瓷基等復(fù)合材料。若按所承擔(dān)的功能又可分為防熱復(fù)合材料、透波復(fù)合材料、隱身復(fù)合材料、抗沖擊復(fù)合材料、多功能復(fù)合材料等。

樹脂基復(fù)合材料有玻璃／酚醛、高硅氧／酚醛、石英／酚醛、碳／酚醛、滌綸／酚醛材料和以不同樹脂為基體的低密度燒蝕材料。其中玻璃／酚醛、高硅氧／酚醛和石英／酚醛材料屬于碳化－熔化型燒蝕材料，適用于中等焓值和中等熱流密度的工作環(huán)境再入飛行器和中等推力的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)防熱材料；碳／酚醛材料屬于碳化－升華型燒蝕材料，適用于能發(fā)揮升華效應(yīng)的較高焓值和較高熱流密度的工作環(huán)境，可用于更遠(yuǎn)距離再入飛行器和高性能固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等；滌綸／酚醛材料和低密度燒蝕材料適用于高焓、低熱流和較長時(shí)間再入的航天飛行器如返回式衛(wèi)星和飛船等。樹脂基介電—防熱材料有高硅氧／聚四氟乙烯材料，它屬于升華—熔化型燒蝕材料，燒蝕過程中不生成碳，具有良好的透波性能，燒蝕性能與高硅氧／酚醛相匹配，用作航天器天線窗口材料。

碳/碳復(fù)合材料屬于升華型燒蝕材料。由于碳/碳復(fù)合材料具有高的輻射系數(shù)和高的升華熱，高溫下高的比強(qiáng)度和比模量，良好的抗熱震性能以及大的破壞容限，密度低，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，耐燒蝕，抗粒子侵蝕等特點(diǎn)，使得碳/碳復(fù)合材料成為遠(yuǎn)程和洲際再入飛行器頭部和高性能固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯等防熱部件的好佳選擇。

陶瓷基復(fù)合材料中碳/石英材料屬于熔化—升華型燒蝕材料，其使用特性大體上與碳/酚醛材料相當(dāng)。陶瓷基透波/防熱復(fù)合材料中氧化硅基復(fù)合材料屬熔化型燒蝕材料，生成的液膜具有較高粘度，并能繼續(xù)保持透波特性。

3．航天功能復(fù)合材料研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

中國航天材料與工藝研究所經(jīng)過40余年的研究與發(fā)展，功能復(fù)合材料研究與生產(chǎn)，從原材料開發(fā)、應(yīng)用基礎(chǔ)理論、制造工藝和設(shè)備、產(chǎn)品性能檢測及標(biāo)準(zhǔn)體等各方面已逐漸成熟，形成了具有航天特色的功能復(fù)合材料技術(shù)體系，滿足了不同型號(hào)航天產(chǎn)品的需求，為我國的航天器的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

3.1 樹脂基功能復(fù)合材料

3.1.1樹脂基防熱復(fù)合材料

樹脂基防熱復(fù)合材料是應(yīng)用好為廣泛的功能復(fù)合材料，根據(jù)防熱部件形狀及性能要求的不同，采用的成型工藝主要有模壓、纏繞和手糊等成型工藝方法。模壓防熱材料大部分采用酚醛樹脂作基體，按所用增強(qiáng)材料可劃分為石棉、滌綸、玻璃纖維、高硅氧纖維和碳纖維幾大類，按所用增強(qiáng)材料的形態(tài)，可分為短切纖維模壓、碎布模壓和層壓三種。纏繞方法主要有平行纏繞、重疊纏繞以及傾斜纏繞。手糊成型工藝使用較少，而且大多為干法手糊成型，主要用于結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜、非回轉(zhuǎn)體、多曲面異型結(jié)構(gòu)、性能要求較低的防熱部件。

3.1.2 樹脂基防熱多功能復(fù)合材料

具有諸如結(jié)構(gòu)承載、電磁隱身、抗核加固、燒蝕防熱、抗激光加固等功能特性中的兩種或兩種以上功能的復(fù)合材料稱為多功能復(fù)合材料。目前國內(nèi)獲得成功應(yīng)用的樹脂基多功能復(fù)合材料主要是燒蝕防熱—電磁隱身復(fù)合材料和燒蝕防熱—抗沖擊損傷—結(jié)構(gòu)承載多功能復(fù)合材料。

燒蝕防熱—電磁隱身多功能復(fù)合材料避免了采用傳統(tǒng)的涂層隱身材料帶來的繁雜的工序和易遭外界力量破壞或降低防熱層材料與金屬結(jié)構(gòu)件間粘接強(qiáng)度等問題的發(fā)生，提高了可靠性，降低了維護(hù)成本。該類多功能復(fù)合材料已應(yīng)用于再入飛行器的防熱部件。

傳統(tǒng)的布帶纏繞工藝方法增強(qiáng)纖維是兩個(gè)方向，布層與布層之間通過酚醛樹脂粘連，因此布帶纏繞防熱材料存在強(qiáng)度低、易發(fā)生層間開裂等問題。整體編織物增強(qiáng)酚醛復(fù)合材料不但具有很好的燒蝕性能，而且還具有很好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗沖擊損傷能力，具有燒蝕防熱和結(jié)構(gòu)承載、抗沖擊損傷一體化的多功能特性。近年來，該類復(fù)合材料的研制和應(yīng)用取得了明顯的進(jìn)展，已在多種航天型號(hào)上獲得成功應(yīng)用，如再入飛行器的防熱套、整流罩、彈體防熱結(jié)構(gòu)件、發(fā)射裝置的導(dǎo)流器防熱帽以及導(dǎo)流防熱板、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等。

3.2 碳/碳復(fù)合材料

經(jīng)過30余年的發(fā)展，我國碳/碳復(fù)合材料及成型工藝逐漸成熟，先后發(fā)展了液相低壓浸漬/碳化、化學(xué)氣相沉積等致密化工藝及手段。為了滿足航天產(chǎn)品對碳/碳復(fù)合材料高密度、高性能要求，又研制成功了高壓浸漬與碳化工藝及設(shè)備。先后研制成功了整體氈碳/碳復(fù)合材料、三向結(jié)構(gòu)碳/碳復(fù)合材料、多向編織碳/碳復(fù)合材料等多個(gè)碳/碳材料品種及工藝。為了滿足當(dāng)前航天和民用產(chǎn)品批量化、低成本化要求，目前正在開展碳/碳復(fù)合材料低成本制備工藝技術(shù)研究。

3.3 陶瓷基功能復(fù)合材料

3 .3.1陶瓷基防熱復(fù)合材料

國內(nèi)目前在航天型號(hào)上獲得應(yīng)用的陶瓷基防熱復(fù)合材料主要是碳纖維增強(qiáng)石英基復(fù)合材料（以下簡稱碳-石英）。碳-石英按制造方法分類有幾種：(1) 濕法浸漬長纖維纏繞碳-石英；(2) 粉末冶金法碳-石英；(3) 織物浸漬法碳-石英。

目前在航天型號(hào)上獲得應(yīng)用的主要有兩種：(1) 先采用濕法長纖維浸漬石英漿、纏繞成胚胎，然后進(jìn)行熱壓燒結(jié)；(2) 采用粉末冶金法按一定比例先對短切碳纖維和石英粉進(jìn)行球磨混料，然后進(jìn)行冷壓和熱壓。

碳-石英復(fù)合材料已在航天型號(hào)中獲得成功應(yīng)用，主要應(yīng)用于再入飛行器的頭部部件。

3.3.2 陶瓷基耐高溫防熱/透波及防熱/透波/承載多功能復(fù)合材料

我國獲得應(yīng)用的陶瓷基耐高溫防熱/透波以及防熱/透波/承載多功能復(fù)合材料主要為二氧化硅基復(fù)合材料。二氧化硅基透波復(fù)合材料是以二氧化硅材料為基體，采用高硅氧纖維織物或石英纖維織物作為增強(qiáng)體，經(jīng)浸漬增密、熱處理、防潮處理等工藝技術(shù)途徑制備的復(fù)合材料，具有優(yōu)良的防熱、耐熱、透波、承載及抗沖擊等功能。

我國經(jīng)過二十年的研究工作，已經(jīng)開發(fā)成功了兩種三向石英纖維編織物增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料產(chǎn)品、多種高硅氧穿刺織物增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料產(chǎn)品，多種2.5D石英纖維編織物增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料產(chǎn)品，在我國的多個(gè)航天型號(hào)上獲得應(yīng)用。

國內(nèi)外也開發(fā)研究了磷酸鹽基透波復(fù)合材料。磷酸鹽基透波復(fù)合材料又可以稱為無機(jī)玻璃鋼，是指以無機(jī)磷酸鹽為基體，采用石英、高硅氧或玻璃纖維及其織物增強(qiáng)，具有良好電磁波透過性能和高溫穩(wěn)定性的一類復(fù)合材料。與二氧化硅基復(fù)合材料相比，磷酸鹽基復(fù)合材料制造成本較低。目前已在衛(wèi)星天線支撐體等部件上獲得應(yīng)用。

3.4 低密度燒蝕防熱復(fù)合材料

低密度燒蝕材料是指密度≤1.0g/cm3的一類燒蝕防熱材料，它一般由酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂或硅橡膠為基體，通過引入空心微球或化學(xué)發(fā)泡來降低密度，為增強(qiáng)燒蝕時(shí)形成碳化層的強(qiáng)度而引入難熔短纖維或用玻璃鋼蜂窩增強(qiáng)。

低密度燒蝕材料是載人航天及再入返回技術(shù)中重要的先進(jìn)熱防護(hù)材料。該材料還可應(yīng)用于高焓、低熱流密度和長時(shí)間使用條件的其它飛行器的防熱，如運(yùn)載火箭整流罩、發(fā)動(dòng)機(jī)底部防熱以及巡航及機(jī)動(dòng)飛行導(dǎo)彈等。

該材料在型號(hào)上的應(yīng)用目前主要用于載人飛船返回艙。

4．功能復(fù)合材料應(yīng)用前景與發(fā)展趨勢

為了滿足未來新一代航天器超高速度、機(jī)動(dòng)飛行、重復(fù)使用等高性能指標(biāo)要求，需要大量與傳統(tǒng)防熱復(fù)合材料不同的新型防熱復(fù)合材料。這為防熱復(fù)合材料的進(jìn)一步發(fā)展提供了動(dòng)力。從總體發(fā)展趨勢來看，防熱復(fù)合材料目前主要是向著高性能化、輕質(zhì)化、多功能化、低成本化等方向發(fā)展，繼續(xù)開展新材料和新工藝的研究。

（1）高性能化和輕質(zhì)化：為了滿足新型航天武器型號(hào)要求，部分關(guān)鍵防熱復(fù)合材料性能要求更高。如，為了進(jìn)一步提高航天器落點(diǎn)精度、機(jī)動(dòng)飛行、突防和全天候能力，再入飛行器的防熱層要求燒蝕外形均勻、對稱，且具有盡可能小的燒蝕量；固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯燒蝕量盡可能的小且燒蝕面規(guī)則；為了滿足航天器長時(shí)間機(jī)動(dòng)飛行要求，對防熱層材料的隔熱性能和密度等均提出了更高要求。

（2）多功能化：為了實(shí)現(xiàn)再入飛行器進(jìn)一步小型化目標(biāo)和提高其突防能力，很多防熱部件必須同時(shí)具備其它功能，如使防熱復(fù)合材料同時(shí)具備隱身功能；防熱復(fù)合材料具有防熱和隔熱雙功能；某些部件防熱材料同時(shí)起承力結(jié)構(gòu)件作用等。

（3）低成本化：低成本化是功能復(fù)合材料發(fā)展的大趨勢。很多防熱部件希望選用高性能的防熱復(fù)合材料如碳/碳復(fù)合材料以提高其使用可靠性，僅僅是由于價(jià)格問題而不得不選用可靠性低得多的材料。低成本化包括采用高生產(chǎn)效率、高成品率并能充分的發(fā)揮材料性能的制造工藝，合理的材料設(shè)計(jì)和應(yīng)用，針對產(chǎn)品的形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)和使用要求采用合理的制造工藝等。

具體來講，樹脂基功能復(fù)合材料發(fā)展方向是高效防熱/隔熱技術(shù)、長時(shí)間低燒蝕技術(shù)以及多功能技術(shù)、低成本技術(shù)等；碳/碳復(fù)合材料主要是低成本技術(shù)和進(jìn)一步提高燒蝕性能以及燒蝕外形對稱技術(shù)等；陶瓷基復(fù)合材料主要是低成本制備技術(shù)以及新型高性能高溫防熱/透波材料及制備技術(shù)等；低密度防熱復(fù)合材料發(fā)展趨勢是使其具有多功能，如燒蝕/隔熱，燒蝕/吸波，燒蝕/透波等。

5．結(jié)束語

綜上所述，經(jīng)過四十余年的發(fā)展，我國航天功能復(fù)合材料取得了豐碩的成果，無論是材料品種、工藝還是綜合性能都滿足了我國現(xiàn)役航天型號(hào)對功能復(fù)合材料的需求。根據(jù)未來航天型號(hào)的需要，功能復(fù)合材料還須在低成本化、多功能化、輕量化、高性能化等方面繼續(xù)發(fā)展，一些新的材料品種急需開展相應(yīng)研究工作，功能復(fù)合材料研究與應(yīng)用前景光明。