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(shì)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(cè)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(jiǎn)要總結(jié)了國(guó)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(shì)。

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(zhǎng)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(guò)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(guó)航天材料與工藝研究所經(jīng)過(guò)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(cè)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(guó)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(guó)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(lái)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(wèn)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(guò)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(wèn)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(lái)，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(guò)30余年的發(fā)展，我國(guó)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(duì)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(guó)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(jiǎn)稱碳-石英）。碳-石英按制造方法分類有幾種：(1) 濕法浸漬長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(guó)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(guó)經(jīng)過(guò)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(guó)的多個(gè)航天型號(hào)上獲得應(yīng)用。

國(guó)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(wú)機(jī)玻璃鋼，是指以無(wú)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(guò)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(guò)引入空心微球或化學(xué)發(fā)泡來(lái)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(zhǎng)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(shì)

為了滿足未來(lái)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(shì)來(lái)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(duì)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(zhǎng)時(shí)間機(jī)動(dòng)飛行要求，對(duì)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(shì)。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(wèn)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(duì)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(lái)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(zhǎng)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(duì)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(shì)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(yǔ)

綜上所述，經(jīng)過(guò)四十余年的發(fā)展，我國(guó)航天功能復(fù)合材料取得了豐碩的成果，無(wú)論是材料品種、工藝還是綜合性能都滿足了我國(guó)現(xiàn)役航天型號(hào)對(duì)功能復(fù)合材料的需求。根據(jù)未來(lái)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。