新材料故事 | 航空航天复合材料：唯有创新才能持续发展
来源：中国建材总院、哈玻院 发布时间：2022-08-24
编者按
当材料醒来的那一刻，它将成为你生活中的一段感受。看、听、触摸......置身其中，材料无处不在。中国建材集团的能工巧匠们，实验、坚守、创新，锲而不舍，只为成就材料背后的可能，开发材料蕴含的宝藏。我们始终心怀“国之大者”，打造“国之大材”，服务国防建设、服务国家重大工程、服务国民经济主战场、服务人民美好生活......
《新材料故事》，将用通俗易懂的话语，让大家更好认识身边无处不在的新材料，为大家讲述我们与社会发展、人类生活齐步走的故事。
复合材料科普
复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。近代复合材料主要指人工特意复合而成的一种新型材料体系，成功制造要从1942年开始算起。第二次世界大战期间，玻璃纤维增强聚酯树脂基复合材料被美国空军用于制造飞机构件。
复合材料发展第一代
1942——1960年，玻璃纤维增强塑料时代。
复合材料发展第二代
1960——1980年，先进复合材料发展时代，主要研究增强材料，英国研制碳纤维，美国研制了Kevlar纤维。碳纤维增强环氧树脂、Kevlar纤维增强环氧树脂复合材料用于飞机、火箭的主承力构件。
先进复合材料：进入20世纪70年代，开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料(Advanced Composite Materials,简称ACM)，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。
复合材料发展第三代
1980——1990年，纤维增强金属基复合材料时代，其中铝基复合材料应用最广泛；同时陶瓷基复合材料也得到研究和发展。
复合材料发展第四代
1990——至今，多功能复合材料时代，压电复合材料、导电复合材料、磁性复合材料、摩擦功能复合材料、阻尼功能复合材料、机敏复合材料和智能复合材料，得到了研究和发展。
研发中的技术攻关
在复合材料研制的道路上从来没有坦途，只有依靠坚强意志和不懈坚持。上世纪60年代中期，“干法立式”缠绕工艺适用于制造玻璃钢发动机燃烧室壳体技术才成定论，干法工艺虽然有点明显，但对壳体几何的适应性有一定的限制，预浸材料制造工艺难度较大。相反，湿法工艺适应性强，基体材料的选择范围较宽，用途广泛，哈玻院选择湿法缠绕工艺作为研究重点，当时湿法工艺涉及的技术难题并不比干法少，在某些方面难度更大，无前路可循，只能靠自己蹚出一条路，要花更大的力气，流更多的汗水。
1966年，哈玻院开始研制新型的发动机壳体，1967年哈玻院研制大直径的玻璃钢壳体，对缠绕机、芯模和工艺参数等方面都是崭新的课题，技术上难度之大，可想而知。到上世纪70年代末，哈玻院解决了层间或界面的粘接剂和粘接工艺，最终解决了绝热包覆技术问题。从上世纪80年代初至今，几十年间，哈玻院针对玻璃钢壳体气密性问题形成完整解决方案，研制的玻璃钢壳体的可靠性大幅提升。1985年，哈玻院研制的固体火箭玻璃钢发动机壳体，通过国家建材局和航天工业部主持的部级技术鉴定。1988年，哈玻院承担了我国火箭用玻璃钢燃烧室壳体的研制任务。在前期研制基础上，进一步完善和改进发动机壳体芯模结构，包覆工艺和缠绕工艺，使壳体性能提高到一个新水平。在反喷管技术、工艺精度控制和质量保证技术方面也有新的突破。1990年7月19日，哈玻院研制的SPTM-14玻璃钢壳体用于运载火箭系统的卫星变轨发动机，参加了我国大推力捆绑式火箭的首次发射试验，成功通过了飞行考核，这是我国玻璃钢燃烧室壳体制造领域的重大突破，为我国进入国际卫星发射市场做出了贡献。
复合材料网格加筋结构是由加强筋与蒙皮组成，加强筋形式多种，由一体成型的纵横筋、正多边形网格筋到由各种截面形状的加强肋与蒙皮后装配成型等等。哈玻院在国内率先进行复合材料网格加筋结构研究，起步于20世纪80年代。1982年针对航天需求，哈玻院初步探讨了复合材料加筋结构纵向和环向筋成型方法、通过胶接和铆接与蒙皮连接的结构形式和工艺过程，并进行了结构试验，试验证明了其结构效率远高于常用的复合材料光壳结构。哈玻院成功将该技术应用于某型号碳纤维复合材料连接裙，相比铝合金结构减重33%以上。
1999年8月，为了实现复合材料构件的轻量化，哈玻院研究开发了网格结构的缠绕成型工艺技术，与此同时，哈玻院研制了碳纤维复合材料精密离心机大臂，经试验该部件满足了轴向强度高、轴向线膨胀系数几乎为零的严苛技术要求，为今后研究开发航天用零膨胀系数的复合材料部件奠定了技术基础。
上世纪90年代后期，哈玻院开始了纤维缠绕复合材料环形压力容器成型工艺及缠绕设备的研究，在国内研究开发出独有的球形容器缠绕技术和环形容器缠绕技术，已在国内多项航天工程中获得应用。
产品应用
哈玻院昂首走过62年风雨春秋，哈玻人呕心沥血、砥砺奋进，创新传承了多项国家任务，在积累了相应的技术条件和成果的基础上，承担了国家科技攻关、高技术、重大装备工程配套等发展计划的研究课题，攻克并研发出一批科技成果进入并跑领跑阶段，广泛应用于航空航天、新能源汽车等领域。
卫星领域
哈玻院于1983年在空间卫星主承力结构上使用碳纤维环氧复合材料开展了预研工作，以卫星的主承力结构为模型，研制出主承力锥壳，加筋圆柱壳和支杆，相比原先的铝合金结构减轻结构质量30%以上，性能全部达到了设计要求。
航空航天领域
哈玻院承担了神舟号飞船多种复合材料组件的研制工作，包括推进舱承力截锥、气瓶安装支架、轨道舱安装支板等组件，均获得圆满成功，保证了神舟号飞船研制任务的顺利进行。为推动航天器使用大型高承载复合材料构件的技术进步，缩小我国载人航天技术与国际先进国家的技术差距做出了卓越的贡献。
用户体验
哈玻院为航天部门研制的产品圆满完成各项重大工程任务，科研生产任务全面完成，实现了“十四五”良好开局；为长征五号火箭辅助动力系统配套生产的气瓶和贮箱复合材料安装支架生产工艺稳定、质量可靠，经过火箭飞行试验验证，完全满足飞行使用要求；为天舟四号货运飞船研制的货运飞船推进舱推进分系统主承力结构体，该产品具有轻质高强高刚度、承载能力大、精度高等特点，解决型号任务研制各项技术难题；第三事业部“高铁关键复合材料构件项目”性能满足任务要求，经受住了挑战和考验，荣获全国机械冶金建材行业职工技术创新成果一等奖。