引言
航天先进复合材料是一类应用于“弹、箭、星、船、器、站、所”极端环境的关键材料，是航天器研制和发展的物质基础和技术先导，也是衡量航天器先进性和可靠性的重要标志。特别是进入21世纪以来，随着高超声速、空天往返和深空探测领域各类新型航天器的蓬勃发展，先进复合材料对航天器的基础支撑作用愈发凸显，甚至决定装备的有无和先进与否。美欧等国高度重视航天先进复合材料技术，DARPA将热防护与材料列为高超声速飞行器五大关键技术之一，不断研发、考核、使用新材料，提高成熟度，以满足未来装备发展需求，保持全球领先地位。
一、航空航天国内外发展现状及趋势
（一）高性能化
一般环氧树脂也逐步被韧性更好的、耐温更高的增韧环氧树脂、双马树脂和聚酰亚胺树脂等取代；对复合材料制品也提出了轻质、耐磨损、耐腐蚀、耐低温、耐高温、抗氧化等要求。
（二）低成本化
低成本生产技术包括原材料、复合工艺和质量控制等各个方面。
（三）多功能化
航天先进复合材料正由单纯结构型逐步实现结构与功能一体化，即向多功能化方向发展。
二、代表性航空航天先进复合材料
（一）陶瓷基热结构材料
美欧等国早就认识到陶瓷基复合材料的重要应用价值。通过一系列研究计划的持续支持，在高品质原材料、复合材料设计、制备工艺及工程应用方面取得了诸多突破。例如，2015年2月，欧洲IXV试验飞行器飞行成功，其热防护系统头锥、迎风面大面积、翼前缘和体襟翼均采用C/SiC复合材料，可以满足超过1600℃的具体要求，薄壁异形构件尺寸达到了米量级，体现出很高的制备工艺水平，技术成熟度较高。
近年来，我国在陶瓷基热结构材料领域取得了长足进步，突破了大尺寸异形薄壁C/SiC热结构材料的设计于制备关键技术，并实现了工程化应用。同时，针对陶瓷基热结构轻量化、耐高温和低成本等不同需求，发展了C/SiBCN、C/SiHfBCN及C/SiCN等新型陶瓷基热结构材料。采用前驱体浸渍裂解工艺制备的C/SiBCN材料，比C/SiC具有更优异的高温抗氧化性能。研究发现，SiBCN陶瓷在1400℃下空气中的氧化动力学常数Kp明显低于SiC陶瓷。此外，C/SiBCN复合材料室温下弯曲强度489MPa，在1600℃弯曲强度仍达到450MPa以上。为进一步提升材料耐温性能，将SiHfBCN纳米复相超高温陶瓷引入到C/SiC基体中，研制出C/SiC-SiHfBCN复合材料，室温拉伸强度大于300MPa，弯曲强度大于450MPa；2000℃拉伸强度达到120MPa，弯曲强度达到200MPa。针对低成本陶瓷基热结构需求，研制了新型SiCN前驱体，兼具高陶瓷产率和低成本优点。采用该前驱体研制的C/SiCN复合材料成本更低。室温拉伸强度和弯曲强度分别达到了230MPa和380MPa，且到1400℃时力学性能无明显衰减。
陶瓷基热结构是新型飞行器的共性关键技术。研究新型耐高温纤维及先驱体、研制高性能热结构材料，发展先进制备工艺，降低陶瓷基热结构制备周期及成本，将是陶瓷基热结构重要的发展方向。
（二）超高温低烧蚀防热材料
超高温低烧蚀防热材料主要用于航天飞行器的端头、前缘等热环境严苛部位。基于碳纤维增强的改性碳基或超高温陶瓷基复合材料是超高温低烧蚀防热材料的重要体系。
浆料浸渍法可能是在碳纤维预制体引入陶瓷组元最常用的方法。研究发现，陶瓷颗粒与纤维的直径比例对实现陶瓷颗粒的致密堆积非常重要。Binner等采用真空浸渍法在2.5D碳纤维织物中引入HfB2浆料，得到碳纤维增强HfB2复合材料。氧-乙炔焰考核发现，当不同粒径的HfB2颗粒混合使用时，复合材料在氧-乙炔焰考核时表现出最好的抗烧蚀性能。此外，前驱体浸渍裂解、反应熔渗法也可用来制备低烧蚀防热材料。超高温低烧蚀防热材料的微观结构与制备工艺紧密相关，进而决定材料性能。Lazzeri指出，采用两种或以上复合工艺可能是获得高性能低烧蚀防热材料的潜在方法。
国内在C/C复合材料基体改性方面开展了大量研究工作。通过物理掺杂、化学络合等工艺方法在碳纤维织物中引入Hf、Zr、Ta、W等难熔金属组元的碳化物、硼化物及硅化物，制备出超高温本体抗氧化C/C复合材料，抗氧化烧蚀性能较C/C复合材料提高60%以上。此外，还通过在C/C复合材料内部引入多组元，制备了具有杂化基体的C/C-ZrC-SiC、C/C-HfC-SiC复合材料。通过陶瓷粉体和前驱体的组合使用，不但实现了多相组元的高效均匀引入，而且使材料具有良好的力学性能，弯曲强度和压缩强度均达到130MPa以上。在室温2500℃以上典型环境风洞试验考核中表现出良好的抗烧蚀性能，实现了型号成功应用。
三、航天结构复合材料的具体发展展望
（一）加强复合材料基础理论研究
重点发展多尺度强韧化、环氧树脂协同增刚增强及界面匹配、碳纤维复合材料压拉比调控机制、低温复合材料的液氧冲击敏感性和低温防渗漏特性、高温复合材料高温条件下材料失效机制等基础理论研究，为新一代结构复合材料体系的开发及应用提供技术基础。
（二）发展新型前沿材料技术
重点研发第三代先进结构复合材料、超结构复合材料、耐液氢液氧复合材料、碳纤维蜂窝及夹层复合材料、结构/防热一体化梯度复合材料等新型材料体系，逐步实现航天复合材料由“跟踪仿制”到“自主创新”的转变。
（三）推动关键材料应用
复合材料，这是一种由两种或两种以上的不一样形状、不一样性质的材料以合理正当的复合方法结合而得到的新型材料。相比于常规材料，拥有许多优点。复合材料在航空结构中的应用最开始仅仅限于飞机次承力结构，而现在已经广泛应用于各种机型的主要部位承力结构，在飞机结构重量中的占有比例也逐步增加。重点开展第二代先进结构复合材料、耐高温结构复合材料、结构透波一体化复合材料等关键材料的工程化应用技术研究，进一步拓宽结构复合材料的应用领域。
（四）发展高效工艺及数字化机加装配技术
重点开发复杂结构件的RTM成型、自动铺丝/铺带、3D打印、高效低损伤加工、数字化装配、成型-机加-装配数字化集成制造等制造技术，推动航天复合材料制造技术低成本、自动化、数字化的发展进程。
（五）完善质量提升技术
重点开展预浸料铺覆工艺性能评价体系完善及其性能提升、结构复合材料及大型构件缺陷产生机制及控制方法、结构选材优化等研究，进一步提升结构复合材料及工艺质量控制水平。
结语
经过多年的发展，航天结构复合材料体系逐渐完善，性能不断提升，在航天装备上的应用比例和范围不断提高和拓展。随着航天装备轻量化发展以及关键材料自主可控的应用需求，航天结构复合材料也呈现出多维化的发展态势；在提高性能的同时，追求低成本化及全面国产化和多功能化，制造技术也向着自动化、数字化及智能化方向发展。
参考文献：
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