摘要：复合材料已在飞机、飞船等航天飞行器及航空设备上获得广泛应用，纤维增强复合材料在飞行器领域的市场需求量及应用方向是衡量国家航天科技水平的一项重要指标。该领域的复合材料按照用途不同可分为机身复合材料、飞机内部复合材料、航空发动机复合材料等，2018年机身所用复合材料占总体的77.4%，飞机内部占17.8%，航空发动机4.8%。按照增强相材料划分，航空航天领域的复合材料主要包括碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料以及其它复合材料（如芳纶纤维复合材料、超高分子量聚乙烯纤维复合材料、玄武岩纤维复合材料等）。本文从市场需求及生产工艺等视角对航空航天领域复合材及其生产工艺进行归纳梳理与技术综述，得出该领域专利技术发展脉络与革新路线，为以后的企业规划及审查工作及提供参考和指导。
关键词：复合材料 航空航天 碳纤维 玻璃纤维 制备工艺
一 复合材料技术概述
航空航天、工业制造等众多领域对于材料需要具备的功能属性提出了更高的要求，复合材料便是在这种背景下产生的新型材料，其由两种及以上不同组分材料经特定工艺复合加工而成，复合材料区别于单一材料的最大优势就是它可将各组分材料的不同特性取长补短，相互融合，使材料具备更多或更高级的功能（如防热、隔热、耐磨、阻燃、磁性、导电、绝缘、吸波等等）从而弥补单一材料在某方面的缺陷，拓展材料的应用范围。复合材料的设计还具有较高的自有度，通过控制其所含组分材料的种类、比例及结合方式可满足不同的性能需求。比如，对于纤维增强的复合材料，可以根据实际情况改变纤维的铺设方法，调整结构在不同方向上的强度、刚度性能，使得材料在各方向上均能达到工作要求，有效减少材料能力的浪费，获得高效的设计结构。目前航空航天复合材料在航天飞机的承载结构件、飞机前机身、机翼蒙皮、太阳能电池翼、卫星天线及其支撑构件、火箭燃烧室的绝热壳体、导弹与卫星的整流结构、航天压力容器、雷达防护罩、弹药箱等结构部件都在不同程度上有所应用。
二 航空复合材料的市场需求
如前文中所述，复合材料已在飞机、飞船等航天飞行器及航空设备上获得广泛应用，有专家认为纤维增强复合材料在飞行器领域的市场需求量及应用方向是衡量国家航天科技水平的一项重要指标。该领域的复合材料按照用途不同可分为机身复合材料、飞机内部复合材料、航空发动机复合材料等，2018年机身所用复合材料占总体的77.4%，飞机内部占17.8%，航空发动机4.8%。按照增强相材料划分，航空航天领域的复合材料主要包括碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料以及其它复合材料（如芳纶纤维复合材料、超高分子量聚乙烯纤维复合材料、玄武岩纤维复合材料、光谱屏蔽复合材料、生物质复合材料等），目前该领域应用最多的为碳纤维增强复合材料。
碳纤维复合材料最大的优点是相对于玻璃纤维复合材料具有更轻质、强度更高的提点，即比刚度、比模量更高，鉴于其优异的力学性能，碳纤维复合材料最主要的应用在于飞机、飞船的结构材料，如主机、尾翼、机体等一次结构材料，升降舵、方向舵、副翼、桁梁、刹车片、内饰材料等二次结构材料，直升飞机叶片、火箭排气椎锥体、发动机盖等。相较于铝合金材质的结构件，采用碳纤维复合材料制造航空航天飞行器结构件可将重量减轻百分之二十-百分之四十，使航天飞行器在轻量化的方向上迈出了一大步。
从国内市场需求上看，碳纤维需求量在该国内领域的占比仅为4.9%，远远低于体育用品风电叶片等领域。但随着中国科技水平、综合国力的不断增强，航空航天技术也在以世界瞩目的速度提升，碳纤维复合材料在航空航天设备、器材上的应用比例不断增加，装备列装数量以及装备更新换代速率均有着突飞猛进的提升，依照此趋势，后期该领域对碳纤维复合材料的需求将继续维持逐年上升的趋势。
玻璃纤维复合材料具有耐高温、耐辐射、阻燃、耐腐蚀、抗老化的优良性能，虽然其比强度、比模量不如碳纤维增强复合材料，但相较于铝合金材质的结构件，采用玻璃纤维复合材料制造航空航天飞行器结构件仍可将重量减轻百分之十-百分之二十，达到提高商用承载、节约能源、轻质美观的技术效果。相对于碳纤维复合材料，玻璃纤维复合材料在我国航天领域应用得更广泛，其占航空复合材料市场的比重更高。2018年的比例约为15.7%，预计至2023年，玻璃纤维复合材料在航空复材应用的比重占全部领域市场的18.5%。
其它复合材料也在航空航天器材上有一定应用，如超高分子量聚乙烯纤维复合材料由于其抗冲击性能好、轻质高强，适用于各种飞机机翼的尖端结构、飞机飞船内饰和浮标飞机等；超高分子量聚乙烯纤维复合材料还取代了传统钢缆及合成纤维绳索，用于飞机上悬挂重物的绳索以及飞行器着陆的减速伞的绳索；芳纶纤维复合材料常与碳纤维复合材料配合使用，除应用于飞机机翼、蒙皮、壁板外，还可用于太阳翼基板、天线、隔热结构、发动机壳体等。
三 航空复合材料的制备工艺
1对模成型。对模成型为目前航空航天复合材料领域专利申请量最高的技分支，从侧面反映出其最主要的制备成型方式之一，在目前该领域研发机构中的关注程度也最高。对模成型主要又包括有（1）模压成型，可以以片状模塑料（MC）、团状模塑料（BMC）、预成型件等，在一定的压力、温度、时间参数条件下成型；（2）树脂传递成型（RTM），配备相应的固化系统将树脂在一定的压力（可伴有真空辅助，即VARTM）、温度、时间参数条件下注入已经铺设好增强材料的模具之内，增强材料可采用连续的玻璃纤维、碳纤维或其他纤维原丝毡，玻璃纤维、碳纤维或其他纤维织物，短切原丝复合毡，玻璃纤维、碳纤维或其他纤维方格布等，增强材料铺设在模具内，充入树脂后在一定压力、温度、时间参数条件下固化成型，最后脱模。从该技术手段专利申请的技术效果对比中可知，采用该手段成型复合材料所得制品两面光滑，且具有更稳定的树脂含量稳定，尺寸也更加稳定可控，同时该工艺的设备投资相对较少，劳动环境好。（3）注射成型，该方法与热塑性塑料的注塑相似，可以以长纤维或短纤维的团状模塑料（BMC）注射成型。该方法生产效率高，所得到的航空航天用复合材料产品力学性能好，劳动成本较低。（4）结构反应注射成型（structural reaction injection molding, SRIM），此方法与树脂传递成型相类似，但基体主要采用聚氨酯，产品虽然两面光滑，但很难做成A级的表面，一般在成型航空航天用复合材料时较少使用，在航空航天用复合材料制备工艺的相应专利申请量很少。
2接触成型。包括（1）手糊成型；（2）喷射成型；（3）真空袋成型；（4）压力袋成型；（5）高压釜成型。
3其他的成型方法。纤维缠绕法、拉挤成型法、连续板材成型法、离心铸型法等。
检索分析航天复合材料制备工艺的文献可以发现，不同的生产工艺适应于不同的产品性能与生产规模，本领域技术人员应当根据及在该领域积累的经验知识以及生产需要对航天复材的制备工艺进行合理选择， 虽然在一般的复合材料制作领域中，手糊与喷射成型仍为占有一定比例的基本成型工艺，但在航空航天复合材料中的成型中所占比例已逐步下降甚至被淘汰，对模成型工艺为目前航空航天复合材料最主要、也是最有技术开发、工业应用前景的制备方法。
对比几种复合材料制备工艺的专利申请分布情况可知，目前应用于航空航天领域的复合材料制备工艺以树脂传递成型以及模压成型的方式为主，但并不局限于单一的成型方式，越来越多的申请采用多种复合材料成型手段相结合的方式或在传统复合材料成型手段的基础上融入其他附加工艺步骤，如填充、去胀、辐射等以使航空复材满足更多的性能需求。
四 总结与展望
与传统复合材料相比，航空航天领域所应用的复合材料为先进复合材料，其在性能上，尤其是力学性能上有着更显著的优越性，通常其比强度及比模量要远大于一般复合材料，因此在成型技术上也要相对复杂。随着该领域的技术进步，航空航天复合材料成型工艺仍在不断创新，其成形手段的种类、分支与形式也越发丰富，越来越多的申请采用多种复合材料成型手段相结合的方式或在传统复合材料成型手段的基础上融入其他附加工艺步骤。
参考文献
1、碳纤维复合材料的应用和展望[J]，彭鹤轩，现代化工，2018.5(5)
2、基于快速成型技术的复合材料夹芯结构的性能研究[J], 齐明雪，沈阳航空航天大学，2017.1.
3、航空发动机中的复合材料加工[J]，范文倩等，世界制造技术与装备市场，2019.2，73-74.
备注：第二作者对此文贡献等同于第一作者