盤點|導彈用先進複合材料之樹脂基篇

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【材料 說】：

輕型化是先進導彈武器發展的一個重要趨勢，實現輕型化的主要措施是大量應用先進複合材料及建立導彈關鍵複合材料設計與製造技術體系。美國國防部對2025年國防材料發展中提出：既能滿足耐高溫要求，又能確保強度及模量在現有基礎上提高25%的材料，非複合材料莫屬。

導彈概述

導彈（英語：Missile）是一種攜帶戰鬥部，依靠自身動力裝置推進，由制導系統導引控制飛行航跡的飛行器。有翼導彈作為一個整體直接攻擊目標，彈道導彈飛行到預定高度和位置後彈體與彈頭分離，由彈頭執行攻擊目標的任務。導彈摧毀目標的有效載荷是戰鬥部（或彈頭），可為核裝葯、常規裝葯、化學戰劑、生物戰劑，或者使用電磁脈衝。其中裝普通炸藥的稱為常規導彈；裝核彈的稱核導彈。

輕型化是先進導彈武器發展的一個重要趨勢，實現輕型化的主要措施是大量應用先進複合材料及建立導彈關鍵複合材料設計與製造技術體系。先進複合材料具有優異的比強度、比剛度、抗疲勞性能和剛度可設計性等優點，已廣泛應用於航空航天結構中。國外早在 20 世紀 80年代就開展了導彈結構複合材料應用的相關研究。如戰斧巡航導彈，其彈翼原採用鋁合金蒙皮和鋁合金框架粘接而成，為了提高性能、降低成本，後改用混雜纖維增強聚碸複合材料框架和蒙皮，將兩者粘接而成，其天線罩、進氣道和進氣道整流罩均採用環氧玻璃鋼。尾翼蒙皮則採用玻璃纖維增強聚碳酸酯複合材料。捕鯨叉導彈的彈翼、尾翼和進氣道也都採用了熱塑性樹脂基複合材料。飛魚導彈的彈頭和彈翼亦採用了纖維增強複合材料。可見，國外飛航導彈均不同程度地採用了複合材料，而且有翼面複合材料化的趨勢。

美國國防部對2025年國防材料發展中提出：既能滿足耐高溫要求，又能確保強度及模量在現有基礎上提高25%的材料，非複合材料莫屬。20世紀末進行的一項關於空空導彈和空地導彈的調查預測表明，複合材料佔全彈結構和質量的比例在當時僅為2％ 和40％，在21世紀，這個比例分別上升至79％ 和60％。這一數據表明樹脂基複合材料將得到越來越廣泛的應用，成為製造機載導彈的主要材料。

彈體用複合材料

彈體用於構成導彈外形、連接和安裝彈上各分系統且能承受各種載荷的整體結構。採用先進樹脂基複合材料彈體的主要目的是為了最大限度的減輕導彈的結構質量、簡化生產工藝、降低成本，進一步提高導彈戰術性能。更重要的是，採用先進樹脂基複合材料技術有利於整體成形有複雜形狀、光滑表面和氣動外形流暢的彈體，可以形成金屬殼體難以達到的隱身性能。

當導彈的飛行速度為680 m/s～1020 m/s時，彈體和彈翼蒙皮的表面溫度高達200℃～300℃。當導彈的飛行速度為1360m/s～1700 m/s時，彈體的最高表面溫度將超過593℃。樹脂基複合材料的耐溫性能主要取決於樹脂基體的耐溫性。目前，常用的結構複合材料基體有環氧樹脂（EP）、雙馬來醯亞胺樹脂（BMI）和聚醯亞胺樹脂（PI）等。

環氧樹脂基複合材料的長期使用溫度在150℃左右，20世紀80年代，美國波音公司已經開發出了碳纖維增強環氧樹脂(C/EP)複合材料製成的直徑為200mm的兩級式空射導彈彈體。

雙馬來醯亞胺樹脂的長期耐溫性能已經由200℃提高到300℃以上，短時耐溫甚至可高達400℃。由於其高溫性能好、成本低，雙馬來醯亞胺樹脂基複合材料在飛行馬赫數小於3 的超聲速導彈上得到了應用；雷神導彈系統分部採用樹脂轉移成型技術(RTM)和纖維纏繞技術，製成了石墨纖維增強雙馬來醯亞胺(Gr／BMI)複合材料彈體。

熱固性聚醯亞胺樹脂基複合材料是目前耐溫等級最高的結構用樹脂基複合材料之一，由於其優異的耐熱性能，近年來在航空、航天及空間技術等領域，尤其是在航空發動機和導彈上得到廣泛應用。聚醯亞胺樹脂基複合材料的長期使用溫度在400℃，瞬時使用溫度可達500℃左右。經過近40 年的發展，聚醯亞胺樹脂基複合材料已經發展到了耐溫426℃的第四代聚醯亞胺複合材料，形成了耐溫從280℃到426℃的涵蓋四代的聚醯亞胺樹脂基複合材料體系，涉及的成型工藝方法主要分為熱壓工藝和液態成型工藝。熱壓工藝聚醯亞胺樹脂是發展最早的熱固性聚醯亞胺樹脂，隨著耐溫等級的一步步提升，應用逐漸拓展到導彈結構，如巡航導彈的彈翼，整流罩，舵面等。但是熱壓工藝製備PMR型PI樹脂基複合材料過程中溶劑去除、亞胺化、交聯反應周期較長，製備複雜結構時內部質量不易控制的缺點，限制了其在導彈結構上的進一步應用。發展結構適應性強、製造成本低的液態成型技術是聚醯亞胺複合材料製造技術領域又一個重要的發展方向。其中，樹脂傳遞模塑成形技術是近年來迅速發展的複合材料液態成型工藝技術，將其應用於聚醯亞胺複合材料，能夠顯著降低聚醯亞胺複合材料的製造成本，提高製件尺寸精度和結構整體性，尤其適合於複雜結構的整體化成型。NASA 早在20世紀90 年代就開始了RTM成型聚醯亞胺樹脂的研究，目前已經開發了多個牌號的材料體系，包括PETI-298，PETI-330，PETI-375 等，並且已經在發動機結構、導彈結構上開始驗證和應用。對於新一代超聲速導彈的彈體、整流罩、尾翼、連接環等結構，若能採用RTM工藝聚醯亞胺複合材料，可以大幅度降低工藝成本和提高工作效率，實現低成本製造技術，是未來導彈高溫複合材料結構研究領域的熱點。

導彈雷達天線罩

導彈天線罩是安裝在導彈雷達導引頭天線外面起保護作用的外罩。超高音速導彈在稠密大氣層中飛行時，空氣受到強烈壓縮和劇烈摩擦，會產生「氣動加熱」現象。隨著導彈馬赫數的增加，氣動加熱非常嚴重。為使天線罩內通訊導航等設備工作正常，高超音速導彈天線罩對材料性能的要求較一般導彈天線罩更為苛刻，它除應具備與飛行器雷達天線使用頻率耦合的透波性能、最小的插入損失外，還需具備能承受飛行器空氣動力載荷和環境熱氣流、雨流的沖刷及其載荷的振動衝擊性能，其電氣和機械性能應不受環境（濕度、溫度）條件變化的影響。此外，天線罩還要能夠接收發射來的電磁信號。因此，天線罩必須具備耐熱、防熱、承載、透波等功能。

上述要求反映到材料性能上即為如下性能要求：

（1）優良的介電性能，介電常數ε低，損耗角正切值tanδ小。一般情況下，在0.3~300GHz 頻率範圍內，天線罩材料的適宜ε為1~4 ，tanδ為10^-1~10^-3 數量級，這樣才能獲得較理想的透波性能和瞄準誤差特性。

（2）足夠的機械強度和適當的彈性模量。

（3）良好的熱衝擊性和耐熱性

（4）經得起雨蝕、輻射等環境條件。

（5）可生產性和經濟性。

在工程中應用最廣的天線罩材料是纖維增強樹脂基複合材料。研發的導彈天線罩用樹脂材料有耐高溫聚醯亞胺、雙馬來醯亞胺、氰酸酯樹脂、聚醚醚酮、聚苯並咪唑、有機硅樹脂、聚四氟乙烯和熱塑型樹脂（如聚苯硫醚）等。常用的增強纖維有滌綸、芳綸纖維、石英、K-纖維、E-玻璃纖維和碳纖維等。

環氧樹脂是導彈天線罩最常用的基體樹脂之一，它具有優良的粘結性能、耐化學腐蝕性能和電性能，固化收縮率低，能形成尺寸穩定的緻密製品。其貯存期、固化條件以及粘度隨固化劑的不同而呈多樣性。但環氧樹脂的使用溫度一般較低，可用於亞音速導彈天線罩，如我國的亞音速岸艦、艦艦導彈天線罩採用A型夾層結構，以環氧複合材料為蒙皮，聚氨酯泡沫為芯層，功率傳輸係數不低於85 %。美國80 年代先進的潛射型「戰斧」巡航導彈天線罩亦採用了環氧複合材料。

聚醯亞胺在400 ℃下具有良好的承載/透波能力，機械強度相當或超過環氧複合材料，是超聲速巡航導彈的耐高溫天線罩的主要基體材料。雷神導彈系統分部已利用石英纖維增強聚醯亞胺(Qz／PI)生產超音速反輻射導彈天線罩達20多年，中國空空導彈研究院羅楚養採用用了RTM 整體成型技術設計製備了碳纖維增強聚醯亞胺複合材料天線罩連接環，突破了複合材料連接環防熱/承載一體化設計與整體製備等關鍵技術。

氰酸酯樹脂進入20世紀80年代後在天線罩方面逐漸得到應用。目前國外已將氰酸酯樹脂應用於天線罩，取得了滿意效果，如ICI Fiberite 公司將HerculesIM7 纖維增強牌號為X54-2的氰酸酯樹脂應用於天線罩。

有機硅樹脂的突出優點是耐熱性和優良的介電性能，在各種環境條件（高溫、潮濕）下的介電性能都比較穩定。其缺點是機械強度較低，且須高壓成型。俄羅斯對有機硅樹脂進行了多年深入系統的研究，已將有機硅複合材料成功地應用於戰略導彈、火箭以及太空梭中，所採用的硅樹脂為聚二甲基有機硅（商品牌號MK-9K），再添加少量的高溫除碳劑，在1200 ℃能釋放氧，可降低樹脂的殘碳率，對電性能十分有利。

樹脂基複合材料可以滿足常用的航空用天線罩及低於3馬赫數的導彈天線罩的使用要求。但是，有機材料由於其有限的耐熱性能，對於高於4馬赫數的導彈等航天用天線罩，有機材料已經不能滿足各種飛行器高速飛行時的使用要求。所以各種陶瓷基複合材料逐漸成為超音速導彈天線罩的候選材料。要滿足導彈由亞音速到超音速，再到高超音速（Ma>5），速度不斷攀升對材料耐高溫性能更嚴苛的要求，樹脂基複合材料的耐高溫性要提到500℃以上。

導彈天線罩材料的發展歷程可歸結為: 纖維增強塑料→氧化鋁陶瓷→微晶玻璃→石英陶瓷→陶瓷基複合陶瓷。陶瓷基複合材料天線罩其他文章中介紹。

隱身用複合材料

隱身技術和隱身材料在導彈中的應用，可以提高導彈的總體性能、電子戰鬥力、軍事和經濟效益。雷達是迄今為止最為有效的遠程電子探測設備，它根據雷達目標對雷達波的散射能量來判定目標的存在並確定目標的位置。要實現雷達波隱身，其核心問題就是使目標的雷達回波無法被偵察雷達探測到，即降低目標的雷達探測截面（RCS）。減RCS通常有兩種途徑: 材料隱形技術和外形隱形技術，這兩種技術常常綜合運用。

材料隱形技術就要求樹脂基複合材料應該能夠減少導彈被雷達、紅外、聲波以及可見光等發現的幾率，提高導彈生存、突防，尤其是縱深打擊的能力。按其工作原理，材料技術可分為三類: 一類是雷達波作用於材料時，材料產生電導損耗、高頻介質損耗和磁滯損耗等，使電磁能轉換為熱能而散發; 二是雷達波能量分散到目標表面的各部分，減少雷達天線方向上散射的電磁能; 三是使雷達波在材料上、下兩表面的反射波迭加發生干涉，相互抵消。結構吸波材料（SRAM）不僅能夠承載結構重量，還可以達到吸波隱身的目的，並且不會增加導彈的重量，因此被視為隱身材料的主要發展方向。

結構吸波材料主要分為三類：吸收劑散布型、層板型材料和蜂窩夾層結構型材料。吸收劑散布型是由熱塑性PEEK、PPS等樹脂紡成單絲和復絲分別和碳纖維、玻璃纖維等特殊纖維按一定比例交替混雜成束,再將其編織成織物與同類樹脂製成複合材料。F- 117的V形垂尾、F- 22的機身和機翼蒙皮採用了此吸波結構材料。

層板型吸波材料是一種可承載的寬頻吸波複合材料,通常由透波層(面層)、損耗層(中間層)和反射層(底層)三個不同結構層次,多達十幾層或數十層材料組成。透波層(面層)一般為玻璃纖維,芳綸纖維或石英纖維增強低介電損耗樹脂基體;損耗層(中間層)可以是樹脂基體中充填電磁損耗吸收劑或直接採用具有較高損耗的樹脂基體,也可以是多層高低損耗層交替組成複合形式的中間層;反射層(底層)為碳纖維增強複合材料。吸波劑一般為鉛鐵金屬粉、不鏽鋼纖維、石墨粉、鐵氧體等具有特殊電磁性能的物質。

蜂窩夾層結構材料是採用透波性能好、強度高的複合材料作為最外層；其中間層為蜂窩形狀，一般為浸漬或填充有損耗介質的蜂窩、波紋或角錐結構,或是為浸漬有損耗介質的泡沫芯；在夾芯壁上塗覆吸波塗層或在夾芯中填充輕質泡沫型吸波材料(如聚氨脂)，最內層為石墨纖維增強環氧樹脂(Gr／EP)，這種結構在6～14GHz範圍內，雷達波吸收率可達95％～98％。

戰斧巡航導彈的彈翼、尾翼和進氣道；AGM-129巡航導彈的兩個全動式方向舵面和彈翼等全部用結構吸波材料製造。我國長劍20採取結構隱身彈翼 、複合材料隱身過渡段 、 尾翼及彈體表面塗覆吸波材料來實現雷達隱身效果。

戰斧巡航導彈已將隱身外形技術、隱身材料技術和紅外隱身技術緊密結合，使其RCS值減小至0.05m²左右，國外一種正在研究的隱身巡航導彈(SCM)為全複合材料結構，外表面和進氣道口塗覆輕質吸波材料，其RCS值能夠減小至0.01m²左右。

氣動面用複合材料

早期的機載導彈氣動面一般為鋁、鎂或者鈦合金，不過性能更為優異的樹脂基複合材料正在逐漸取代金屬合金成為氣動面的主要材料。

舵面作為導彈最主要的受力部件之一，在導彈飛行過程中，不但要承受氣動力以及大機動帶來的大過載，還要完成導彈姿態的控制，可見，舵面設計和材料的選擇是導彈結構設計過程中最突出、最有代表性的問題。

美國海軍空戰中心(NAWC)研究了高溫樹脂基複合材料在Ma為4的超聲速空中攔截導彈(AIM)舵面上的應用，認為先進複合材料不僅能使導彈的質量和費用達到最佳值，同時也能提高整個導彈系統的性能，而這些效果在使用傳統金屬材料導彈時是無法實現的。據悉，我國長劍20導彈的翼面舵面與進氣道採用玻璃纖維/環氧樹脂類材料，以及雷達波吸收能力較強的聚合物複合結構材料。

西北工業大學高宗戰聯合中國空空導彈研究院黃帥軍結合先進導彈武器輕型化的重要發展趨勢，並針對導彈武器所追求的降低結構質量、提高有效載荷和戰鬥力的目標，將某型導彈金屬舵面進行了複合材料化設計。對比分析金屬舵面與複合材料舵面，發現在剛度等效的情況下，強度滿足要求，穩定性良好，重量減輕一半左右。中國空空導彈研究院羅楚養通過研究複合材料的成型工藝，採用RTM工藝聚醯亞胺複合材料設計了一種蒙皮骨架結構的耐高溫複合材料舵面。該舵面骨架選用鈦合金承力梁，蒙皮選用碳纖維增強聚醯亞胺複合材料，內腔選用鋁泡沫作為填充芯材。同時，系統研究了聚醯亞胺複合材料整體化舵面的RTM成型工藝，探索了導彈高溫複合材料典型結構的低成本、整體化的設計與分析技術、製備與驗證技術。結果顯示，舵面成型用模具結構尺寸設計合理，可準確定位製件，合模緊密，且脫模過程較為順利，使用的RTM樹脂及工藝可保證順利成型；製件尺寸符合設計值，表面及邊緣較為光滑，且側邊無斷面，能夠達到設計要求。

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