高性能纖維及其復合材料是航空航天材料的重要組成部分，它能有效降低飛機、運載火箭和導彈、衛(wèi)星的結構重量，增加有效載荷和射程，降低成本。在航空領域，高性能纖維及其復合材料的應用幾乎遍布飛機各個部位，包括垂尾、平尾、機身蒙皮以及機翼壁板和蒙皮等，同時還可以作為透波復合材料和吸波隱身復合材料應用；在航天領域，高性能纖維及其復合材料廣泛應用于航天器結構件，包括衛(wèi)星中心承力筒、各種儀器安裝結構板等。在戰(zhàn)略導彈和運載火箭上被用于火箭的排氣錐體、發(fā)動機蓋、燃燒室殼體、噴管、喉襯、擴散段及整流罩等部位，在固體發(fā)動機上用于殼體纏繞，可減輕重量，增加有效負荷，節(jié)省動力燃料。同時還可以作為防熱耐燒蝕復合材料和梯度功能復合材料應用。未來航空航天用纖維材料將進一步朝著高性能化、多功能化和低成本化發(fā)展，出于現(xiàn)代高性能飛行器發(fā)展的需要，結構－功能一體化和智能化也是重要發(fā)展方向。

碳纖維

航空航天是國際碳纖維應用的傳統(tǒng)市場，也是主要市場之一。自20世紀60年代碳纖維首次商業(yè)化以來，碳纖維作為金屬材料優(yōu)良的替代品而首先開始在輕量化要求最為迫切的航空航天領域得到關注；80年代初，為滿足新型波音飛機開發(fā)的要求，聚丙烯腈基碳纖維開始向超高強、高斷裂伸長率方向發(fā)展，隨后日本東麗（Toray）公司開發(fā)出T800（抗拉強度5490 MPa，抗拉伸模量294 GPa，斷裂伸長率1.9%）碳纖維，才真正帶動了碳纖維在航空航天領域的應用。此后，東麗又開發(fā)出T1000（抗拉強度7060 MPa，抗拉伸模量294GPa，斷裂伸長率2.4%）及以上的超高強系列碳纖維。從80年代中期開始，為適應飛機結構件對高強、高模同時并重的需求，東麗公司又在高模碳纖維M40和M50的基礎上開發(fā)了高強高模型“MJ”系列產品，如M60J（抗拉強度3920 GPa，抗拉伸模量588 GPa）及以上碳纖維。因此，所謂的航空航天級碳纖維主要是指以高強、高模為代表的高性能碳纖維。

總體來看，現(xiàn)階段航空航天領域用碳纖維及其復合材料仍由日本、歐美企業(yè)主導，包括日本東麗公司及其收購的復合材料企業(yè)、三菱化學公司、帝人（Teijin）公司、美國Hexcel（赫氏）公司、比利時Solvay（索爾維）集團（2015年收購了美國Cytec（氰特化工））等。這些公司憑借廣泛的產品組合、全球影響力和強大的研發(fā)能力，已成為航空航天和國防市場全球碳纖維的領導者。他們不斷努力通過戰(zhàn)略合作伙伴關系、并購和產品創(chuàng)新來夯實自己的市場地位。隨著新參與者的進入和創(chuàng)新技術的出現(xiàn)，航空航天和國防市場中全球碳纖維的市場份額正在不斷變化。此外，材料供應商、制造商和最終用戶之間的合作正在促進技術進步并拓展市場機會。

陶瓷材料

陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、絕緣性好等優(yōu)點，在高溫隔熱、吸音、催化等領域具有廣泛的應用。碳化硅（SiC）纖維是一種以碳和硅為主要成分的高性能陶瓷材料，具有高溫耐氧化性、高硬度、高強度、高熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和密度小等優(yōu)點，是最為理想的航空航天耐高溫、增強和隱身材料之一，通常以一維形式的纖維、二維形式和三維形式的纖維集合體、非織造織物的形式應用于零部件。

該纖維自上市迄今已有30多年，目前領先的生產商集中在日本和美國。其中，日本碳素公司（Nippon Carbon）的產能達120 t／a，UBE工業(yè)株式會社在含鈦SiC纖維（Tyranno）方面居世界領先水平。后者有標準型（非晶質）和高溫型（多晶質）品類，高溫型產品可耐1800 ℃，導熱系數(shù)是標準型的20倍。Tyranno SA3是經Ar＋離子束照射，使表面結晶微細化，拉伸強度由照射前的2.8 GPa提高至3.1 GPa。美國NASA的無氧SiC纖維迄今無人可敵，最高耐熱溫度高達1800 ～ 2000 ℃，其摻硼的SiC纖維“Sylramic”強度高達 3 GPa；美國特種材料公司生產的SiC纖維直徑142μm，拉伸強度和模量各為3900 ～5900 MPa和380 ～ 415 GPa，熱膨脹系數(shù)4.1 ppm／℃。

我國有國防科技大學等高校、科研院所和蘇州賽力菲等企業(yè)研發(fā)和小批量生產SiC纖維。國防科技大學研究以SiC纖維為原料，通過真空退火制得連續(xù)石墨烯纖維（GFS）和石墨烯／SiC纖維。這種連續(xù)石墨烯密度為1.63 g／cm3，電導率為53900 S／m，拉伸強度和模量各為0.22 GPa和23 GPa，電磁干擾屏蔽效率62.8 dB。石墨烯／SiC纖維絲束柔韌性好，在樣品厚度為2.1 mm時，可實現(xiàn)－54.86 dB的最小反射損耗（RL）值，當樣品厚度為1.4 mm時，纖維的有效吸收寬度可達4.4 GHz。寧波材料所杭州灣研究院發(fā)明了含硼碳化硅纖維（B－SiC纖維），原料為有機硅聚合物，力學性能比SiC纖維高，并附加特殊功能。中國航發(fā)北京航空材料研究院研制的SiC增強陶瓷基抗燒蝕復合材料，是將SiC與ZrSi2、ZrB2或ZrC等功能粉體的料漿制成單向帶預浸料后，熱壓成型制備預制體，再碳化、熔滲制得陶瓷基復合材料。其中引入鋯化物后，在高溫氧化時能生成SiO2和ZrO2而起協(xié)同作用，能有效阻止氧化介質進入復合材料內部從而提高抗燒蝕和抗氧化性能。

氣凝膠材料

航空航天用飛行器在飛行時需承受長時間氣動加熱，基體表面將產生高溫，為了保證飛行器的主體結構及內部儀器設備的安全，須使用高效隔熱材料阻止外部熱流向內部擴散。同時，輕質高效的隔熱防護系統(tǒng)對降低飛行器載荷、延長飛行距離等均具有重要的意義。目前，常用的隔熱材料主要包括酚醛樹脂、納米顆粒氣凝膠、纖維氈等。其中，酚醛樹脂泡沫具有較低的體積密度和導熱系數(shù)，體積密度為120 mg／cm3的酚醛樹脂泡沫的導熱系數(shù)為0.057 W／（m·K），但材料本體延伸率低、質脆、硬度大、不耐彎曲、在高溫下易分解等缺陷限制了其應用領域的拓展；納米顆粒氣凝膠材料（主要為SiO2）具有極小的孔徑、超高孔隙率和比表面積，賦予了材料極低的導熱系數(shù)，然而納米顆粒氣凝膠脆性大、不可壓縮，同時納米顆粒在使用過程中易脫落且在高溫下可發(fā)生融合，從而使材料結構穩(wěn)定性和隔熱性能下降，難以滿足實際應用的需求。與前兩者相比，纖維材料具有長徑比大、孔隙率高、耐振動等優(yōu)點，同時隨著纖維直徑從微米數(shù)量級下降至納米數(shù)量級，材料的孔徑將會顯著下降，孔隙率將會大幅提高，從而使材料的隔熱性能等顯著提升。

氣凝膠最早由Kistler在1931年合成，是目前最輕的固體，具有熱導率低、密度低、氣孔率高和比表面積大的優(yōu)異特性，在光學、過濾、催化和隔熱等方面有重要應用。

基于氣凝膠和纖維材料，NASA開始研制能夠滿足航天器結構材料和隔熱材料要求的多功能復合材料。如NASA肯尼迪航天中心（KSC）的研究人員開發(fā)了一種多功能氣凝膠／纖維混雜層壓復合材料的制造方法，可以通過選擇不同的纖維層（如聚酯、碳纖維、Kevlar®纖維、Spectra®纖維、Innegra纖維或其組合）、不同的氣凝膠層厚度及不同的復合結構，制成不同功能或多功能的復合材料。這種輕量化、高強度的多功能復合材料可滿足航空航天器在防熱、耐沖擊、能量吸收、吸音等方面的要求。

航天器空調用纖維材料

飛機用空調濾材要求具有高效過濾功能，包括過濾塵埃和吸附各種臭味等，以保證客艙及駕駛艙內空氣清新。這種濾材本身還要求具有輕量、阻燃、耐腐蝕、化學穩(wěn)定性高、無毒、耐高低溫性能和解吸功能。最理想的材料便是活性炭纖維（ACF）非織造布或氈，其比表面積甚大，比粒狀活性炭具有10倍以上的吸附速度，材質有粘膠基、PAN基和酚醛基ACF，各有不同的吸附能力和選擇性，一般其BET比表面積為1000 ～2500 m2／g，比粒狀活性炭大很多。

來源：紡織導報