异形结构先进复合材料是指具有复杂几何形状或特定设计结构的复合材料，可以通过三维编织、三维机织、三维针织和三维非织等技术实现预制体的一体化成型。如三维编织是通过纤维空间位置的变化交织而形成整体结构，得到的结构材料抗分层能力和整体性良好，常用于发动机支架、天线罩和雷达罩等结构材料。三维机织技术能够一次织成各种异型结构，常用于天线罩、整流罩、雷达罩和导弹外壳等。

异形结构先进复合材料在航空领域的应用

异形结构先进复合材料在航空器发动机、飞机吊舱和骨架层等部位具有广泛应用。燃气涡轮喷气发动机运行时会产生高温，因此需要可以抵御航空发动机内部极端高温的材料。碳纤维毡或碳纤维编织复合材料加上陶瓷纤维可以实现耐高温特性，使发动机的涡轮扇叶耐用且轻质。飞机吊舱可以采用聚苯乙烯纤维复合材料，一方面降低重量，另一方面也具有耐候性等优势。飞机的骨架层是飞机承载力学载荷的关键，碳纤维编织复合材料可以让飞机减轻重量的同时，使其机动性能和运载能力得到提升，降低能耗。早在20世纪80年代，美国就开展了涡轮盘、发动机喷管和涡轮叶片等关键结构部件的异形复合材料研制工作。

CJ1000A碳纤维风扇叶片

图片来源：中国民用航空网。

飞机吊舱

图片来源：观察者网。

飞机骨架

异形结构先进复合材料在航天领域的应用

异形结构先进复合材料广泛应用于火箭导弹中的各部件。液体火箭发动机的喷管延伸段采用碳纤维复合材料，其预制体的成型方式包括三维编织和三维针刺等。三维编织技术制备的复合材料整体性好，但受限于机器设备，通常样件尺寸较小。法国斯奈克马公司采用三维针刺技术实现了火箭发动机喷管延伸段的高效、低成本成型。导弹在高速运行时，其外壳会与大气发生剧烈摩擦，导致温度急剧升高，因此需在导弹外壳使用非织造方法制备的玻璃纤维毡或碳纤维毡防护层，避免受高温损害。此外，导弹的发动机也可采用玻璃纤维增强壳体、有机纤维增强壳体和碳纤维增强壳体等。

20世纪50年代初，波音飞机公司采用石英纤维缠绕成型技术制备了“波马克”导弹CIM-10天线罩。美国F-15、F-22等战斗机以及“三叉戟”潜地导弹、高马赫数导弹天线罩中也均应用了石英玻璃纤维。俄罗斯“联盟号”火箭整流罩和国产“歼-11B”战斗机的雷达罩等都采用了碳纤维编织复合材料。

国产“歼-11B”战斗机的雷达罩

结题语

“航空航天用先进复合材料技术进展”专题于本篇结束，专题通过五篇文章详细介绍了不同复合材料结构在航空和航天领域的应用进展。随着我国低空经济的兴起和商业航天的快速发展，航空航天用纺织品市场发展前景广阔，需进一步加大新型纤维材料和纺织加工技术的研发以适应航空航天产业的不断发展需求。未来，航空航天用纺织材料将进一步朝着轻量化、大型化、智能化、多功能化和环保节能等方向发展。在轻量化方面，要提高高性能纤维材料的比强度，通过纺织结构设计与优化，使结构材料能承受更大的有效载荷，增加运载能力，并实现材料的全面国产化。同时，纤维复合材料技术和纳米材料的不断发展势必会为航空航天装备轻量化带来新的突破。在大型化方面，随着通信、空间站、深空探测等领域的深入发展，超大型航天器将成为未来空间资源利用、宇宙奥秘探索、长期在轨居住的重大战略性航天装备。大型三维充气结构材料、百米级／千米级可展开天线超轻型金属网编织技术等将成为发展趋势。在智能化方面，用于监测和预测故障的智能蒙皮、监测宇航员生理指标和环境参数的智能宇航服等能有效提高设备和人类的安全性。在多功能化方面，由于空天环境复杂，要求材料满足多项性能指标，因此具有多种功能的新型材料可以提升对极端环境的适应能力。在环保节能方面，航空航天级材料通常成本较高且大部分都会被遗弃，马斯克在十多年前就提出了火箭回收技术并成功实现，降低了进入太空的成本。若能实现大部分部件的重复使用，将使太空探索更加经济和高效。

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