复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法复合而成的一种具有新性能的材料。各种材料在性能上互补，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原材料，满足各种要求。复合材料的多少已经成为衡量军事装备先进性的重要标志。复合材料的兴起丰富了现代材料家族，尤其是高强度、高模量、低比重的碳纤维增强复合材料的出现，使其成为各种军用和民用装备的重要候选材料之一。
复合材料的分类
复合材料可根据基体材料的类型、增强材料的形式和复合材料的功能进行分类。
1、根据基体材料的种类，复合材料可分为金属基、有机非金属基和无机非金属基，如树脂基、铝基和钛基复合材料。
2、根据增强材料的形式，复合材料可分为纤维增强体、颗粒增强体、短纤维增强体、片状增强体等。如碳纳米管、碳纤维复合材料等。
3、按材料的功能，复合材料可分为结构复合材料、功能复合材料和智能复合材料，如导电复合材料、光纤、形状记忆合金等。
复合材料的特性
与普通材料相比，复合材料具有许多特性，可以改善或克服单一材料的弱点，充分发挥各种材料的优点，赋予材料新的性能；根据构件的结构和受力要求，给出预定的合理分布的匹配性能，进行材料的最佳性能设计。
具体表现在：
1、高比强度和高比模量。复合材料的突出优点是高的比强度和比模量。如碳纤维增强树脂复合材料的比模量比钢和铝合金高5倍，比强度比钢和铝合金高3倍以上。
2、高抗疲劳性。纤维复合材料尤其是树脂基复合材料对缺口和应力集中不太敏感，纤维与基体的界面可以钝化或改变扩展裂纹尖端的方向，阻止裂纹快速扩展，因此疲劳强度高。碳纤维不饱和聚酯树脂复合材料的疲劳极限可达其拉伸强度的70%~80%，而金属材料的疲劳极限仅为40%~50%。
3、抗断裂能力强。纤维复合材料中有大量的独立纤维，一般每平方厘米有几千到几万根，由一种坚韧的基体结合成一个整体。当少数纤维因过载或其他原因断裂时，载荷会重新分配到其他未断裂的纤维上，使元件不会在短时间内突然损坏。因此，复合材料具有相对较高的断裂韧性。
4、具有良好的减振性能。结构的固有频率与结构本身的质量和形状有关，与材料的比模量的平方根成正比。如果材料的固有频率较高，可以避免其在工作状态下产生共振和早期损坏。
5、耐高温性能好，抗蠕变能力强。由于纤维材料在高温下仍能保持较高的强度，纤维增强复合材料如碳纤维增强树脂复合材料的耐热性比树脂基体有明显的提高。然而，金属基复合材料在耐热性方面显示出其优越性。例如，铝合金的强度随温度的升高而迅速下降，而应时玻璃增强铝基复合材料在500时能保持40%的室温强度，碳化硅纤维、氧化铝纤维和陶瓷复合材料在空气中能承受1200 ~ 1400的高温，比所有超高温合金的耐热性高100以上。
6、良好的耐腐蚀性。许多种类
7、具有优异的减摩性、耐磨性和自润滑性。由于复合材料构件制造工艺简单，表现出良好的工艺性能，适合整体成型。制造复合材料时，获得产品，从而减少零件、紧固件和接头的数量，节省原材料和工时。
复合材料在航空国防领域的发展与应用
复合材料的发展对航空装备的发展具有重要意义。飞机的性能部分取决于设计，部分取决于材料。材料的质量无疑对速度、高度、航程、机动性、隐身性、使用寿命、安全性、可靠性和维修性都有很大的影响。据统计，飞机减重的70%是由航空材料的技术进步贡献的。采用碳纤维增强树脂基复合材料的飞机，在减轻飞机重量、降低油耗、降低维修成本、延长飞机使用寿命等方面具有明显的优势。
1、军用飞机
目前世界先进军用飞机中复合材料的用量占结构总重量的20%-50%，复合材料的主要应用部位有整流罩、水平尾翼、垂直尾翼、水平尾盒、机翼、中前机身等。如果复合材料占飞机总重量的50%左右，那么全机大部分结构件都是复合材料，比如B-2隐身轰炸机。
2、民用飞机
复合材料在民机上的应用大概经历了四个过程。
第一阶段，70年代中期，复合材料主要用于前缘、襟翼、整流罩、扰流板等受力较小的部件。
第二阶段，80年代中期，复合材料主要用于升降舵、襟副翼等受力较小的部件。
第三阶段，复合材料应用于垂尾、平尾等受力较大的部件。比如波音777飞机的垂尾和水平尾翼都是由复合材料制成的，复合材料占结构总重量的11%。
第四阶段，复合材料应用于机翼和机身，这是飞机最重要的受力部件。波音787梦想飞机的复合材料消耗为50%，超过了铝、钢、钛等金属材料的总重量。
3、直升机
碳纤维复合材料广泛应用于军用、民用和轻型直升机，直升机中复合材料的使用量已经达到结构重量的40%-60%。比如美国武装直升机RAH-66的复合材料使用量为50%；欧洲NH-90直升机复合材料使用达到80%，接近全复合材料结构。
4、无人机
军用无人机迫切需要减轻重量，因此复合材料被广泛应用于无人机。比如美国X-45系列飞机的复合材料消耗在90%以上；X-47系列飞机基本都是全复合材料飞机，全球鹰无人侦察机复合材料用量达到65%，其中机翼、尾翼、后机身、大型天线罩都是复合材料。欧洲的实验无人机“梭鱼”和美国的远程攻击无人机“臭鼬”也是如此。
5、航空发动机
复合材料的数量和比例也成为衡量航空发动机先进程度的标准。树脂基复合材料优异的比强度和比模量性能对于减轻重量、提高推进效率、降低噪声和排放、降低大推力航空发动机成本具有重要意义。它们主要用于航空发动机的冷端部件，工作温度在150-200以下，如压气机叶片、导叶及其框架部件、涡扇发动机的鼻锥和整流装置等。
由于高温等特殊条件的要求，金属基、陶瓷基和碳/碳复合材料在热端部件中有着重要的应用。
Ti-MMC具有比强度高、比刚度高、耐高温、抗疲劳性能好、蠕变性能好等优点。Ti-MMC叶片环代替压气机盘可使零件重量减轻70%。未来航空发动机压气机叶片和镜面叶片、整体叶片环、机匣和涡轮轴都将采用金属基复合材料。陶瓷基复合材料一直是高温材料研究的热点。由精细陶瓷和硅制成的发动机部件
纤维增强复合材料具有放热、隔热、耐高温等特性，广泛应用于航空航天领域。
高强度玻璃纤维树脂基复合材料可用作多管远程火箭弹和空空导弹的结构材料和抗烧蚀隔热材料，实现了喷管收敛段、扩张段和尾框的一体化，大大降低了武器质量，提高了战术性能。
碳纤维复合材料在固体火箭发动机上也得到了很好的应用，很多导弹型号都采用了复合材料固体火箭发动机。美国战略导弹MX导弹和俄罗斯战略导弹“白杨”M导弹都使用先进复合材料制成的发射装置。
船舶复合材料技术也发展迅速，基本达到实际应用水平。简化制造和降低成本已经成为当前技术的焦点。复合材料已广泛应用于美国海军装备。英国海军的驱逐舰也安装了夹层结构的复合材料桅杆，具有隐身和减少天线维护的特点。
中国航空复合材料的发展
中国从20世纪60年代开始研究复合材料在飞机结构中的应用。20世纪70年代中期，复合材料战斗机进气道嵌板研制成功。1985年，一架复合材料垂尾的战斗机成功首飞，1995年，一架带整体油箱的复合材料机翼研制成功。
目前，中国现役的军用飞机几乎都在不同部位使用复合材料。目前，国内已经形成了以环氧、bima、聚酰亚胺为基础的复合材料体系，形成了以热熔预浸料制造技术和热压罐成型技术为基础的复合材料成型技术体系。我国航空树脂基复合材料的力学性能已初步满足主承力结构的要求，结构——的功能集成还处于预研阶段，低成本技术还比较薄弱。航空树脂基复合材料在现役飞机上的应用包括前机身、垂尾、平尾、副翼、方向舵、鸭翼、腹鳍、机翼隔板、各种襟翼等。在直升机上的应用主要包括旋翼、垂尾、机身和尾桨。
在新一代军用飞机中，复合材料主要用于机翼、鸭翼、尾翼、垂尾、中机身壁板、腹鳍、武器舱门等。消耗达到结构重量的19%。复合材料在大型运输机上的使用量约为10%，主要用于垂尾、平尾、方向舵、升降舵、襟翼、副翼、蒸馏板等。新一代直升机的复合材料用量约为34%，主要包括斜梁、水平尾翼、整流罩、蒙皮、尾梁、中机身侧壁板等。复合材料在一些承重结构中的使用，从本质上改变了复合材料的应用规模。
预计随着相关复合材料和结构材料技术的突破，未来国产军机复合材料用量将提高到25%左右，减重效率将从20%提高到30%。机翼、机身等主要承力结构将更多使用复合材料，在减轻重量的同时充分发挥耐腐蚀、隐身、共形天线等优势。
审核编辑：李倩
