現代飛機的“血肉”：復合材料

沈海軍

在大多數人的印象中，飛機是銀光閃閃的飛鷹，之所以如此，主要是因為目前大多數的飛機采用了包括蒙皮在內的銀白色鋁合金結構。然而，自上世紀70年代末以來，以碳纖維復合材料為代表的各種復合材料在飛機結構上的用量不斷增多，正使得這一狀況發生著微妙的變化。

2005年和2007年，世界上最大的民用客機——空中客車A380以及美國的大型噴氣客機——波音787相繼誕生，它們代表了當今世界民機的最高水平。細心的人們驚奇地發現，在這兩款飛機的選材介紹中，復合材料的用量均達到空前水平。其中，A380飛機上的復合材料用量為25％左右，而波音787飛機上的復合材料用量則超過了50％。事實上，除了上述民機以外，現在最先進的第四代戰機F－22、F－35等的復合材料用量也分別高達24％和30％。A380、波音787、F－22、F－35等一批先進飛機的問世標志著現代飛機已從“鋁為主，鈦、鋼、復合材料結構并存”的時代邁向“復合材料為主，鋁、鈦、鋼結構共存”的新時代。

另據專家透露，在我國著手建造的國產大飛機上，傳統的鋁合金部件有望被大量輕而強韌的碳纖維等復合材料所取代，并且這件完美“外衣”將盡可能地實現中國制造。

第四代材料

那么，到底什么是復合材料呢?不同的組織或出處給出的定義略有不同。如，國際標準化組織將復合材料定義為：“兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相固體材料”；而“材料大辭典”則將復合材料定義如下：“復合材料是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料。它與一般材料的簡單混合有本質區別，既保留原組成材料的重要特色，又通過復合效應獲得原組分所不具備的性能。可以通過材料設計使原組分的性能相互補充并彼此關聯，從而獲得更優越的性能。”

可見，復合材料并不是什么新材料，它只是由兩種或兩種以上的不同材料組合而成的工程材料而已。也許其中某種組分的某項特性并不優越，但不同材料之間卻能互相協同，取長補短，使復合材料的最終綜合性能優于原組成材料，從而滿足各種不同的要求。

研究人員把復合材料這種揚長避短的作用稱為復合效應。人們利用復合效應可以自由選擇復合材料的組成物質，人為設計各種新型復合材料，從而把材料科學推進到新的階段。所以，國外也把復合材料稱為第四代材料或“設計材料”。

現代飛機為何大量使用復合材料

目前飛機上廣泛使用的復合材料以碳、硼、玻璃等纖維增強樹脂為主。這些碳纖維、硼纖維或玻璃纖維通常具有很高的強度和剛度，而樹脂基體的密度很低。除了上述的纖維增強樹脂復合材料以外，飛機上還使用了金屬基復合材料、陶瓷基復合材料以及碳／碳復合材料。

現代飛機結構中之所以大量使用這些復合材料，主要有以下幾個原因。

首先，和金屬材料相比，復合材料具有更高的比強度和比剛度。這里所說的比強度、比剛度指的是材料的強度或剛度除以密度。這是兩個衡量材料承載能力的重要指標。顯然，比強度和比剛度越高，說明這種材料的重量越輕，并且相對強度和剛度越大。碳、硼、玻璃等纖維增強樹脂的這些特性，正是結構設計，特別是航空、航天結構設計對材料的基本要求。

其次，復合材料具有良好的抗疲勞性能。飛機在滑行、起飛、降落和著陸過程中不斷經受著交變的循環載荷，即所謂的疲勞載荷。結構或材料承受這種疲勞載荷的能力通常被稱為材料的抗疲勞性能。研究表明，金屬結構在受到疲勞載荷時，局部位置極有可能萌生裂紋，裂紋進而會在不知不覺中增長，最后突然斷裂。相比之下，復合材料的疲勞斷裂通常是從基體開始，逐漸擴展到纖維和基體的界面上，始終沒有突發性的變化。因此，檢修人員可以有足夠的時間來檢查和補救。一項實驗表明，用碳纖維復合材料制成的直升飛機旋翼，其疲勞壽命比用鋁合金金屬的長數倍。

第三，復合材料具有良好的安全性及減振性能。在纖維增強復合材料的基體中有成千上萬根獨立的纖維。當用這種材料制成的構件超載，并有少量纖維斷裂時，載荷會被迅速重新分配并傳遞到未遭破壞的纖維上，因此整個構件不至于在短時間內喪失承載能力。與此同時，纖維復合材料的纖維和基體界面的阻尼(指振動系統能量損失、振幅逐漸減小的能力)較大，因此，纖維復合材料結構的振動衰減時間比相應的輕金屬結構要短得多，即具有較好的減振性能。

第四，復合材料的成型工藝簡單。纖維增強復合材料一般適合于整體成型，因而減少了零部件的數目，從而可減少設計計算工作量并有利于提高計算的準確性。另外，制作纖維增強復合材料部件的步驟是把纖維和基體黏結在一起，先用模具成型，而后加溫固化，在制作過程中基體由流體變為固體，不易在材料中造成微小裂紋，而且固化后殘余應力(構件在機械制造加工的過程中，將受到來自各種工藝等因素的作用和影響，在這些因素消失后，若構件所受到的上述作用力不能隨之完全消失，仍有部分作用和影響殘留在構件內。則這種殘留的作用和影響被稱為殘留應力，或殘余應力)很小。這些對提高結構的疲勞壽命都是極其有利的。

第五，使用復合材料的經濟性價比高。雖然碳纖維等復合材料的成本在目前依舊比鋁合金要貴，但飛機重量大幅度減輕所帶來的經濟效益遠遠超過了材料成本較高的負面效應。根據波音公司的承諾，使用了50％復合材料的波音787飛機可以降低20％的油耗，其中有8％的油耗歸功于大量使用復合材料后顯著減輕了機身重量。另外，與鋼或鋁合金零件相比，復合材料更適合整體化成型，如波音787機身就是由4個大型復合材料機身段拼接而成。減少了零部件數量就意味著成本的降低。與此同時，由于選用了大量的復合材料零部件，傳統的金屬結構機械修補方法，如鉚接、焊接、螺接等可以大量被新的復合材料結構膠接修補技術所替代。復合材料膠接修補不僅工藝簡單、維修質量可靠，而且成本低廉。據報道，若大量采用復合材料結構膠接修補技術，波音787的外場維護間隔時間將有望從同類波音767飛機的500小時提高到1000小時，維修費用則比同類波音777飛機低32％。

第六，鋁、鈦等合金通過冶金手段加入碳化硅短纖維、氧化鋁粒子等增強劑后，在比強度、耐高溫、耐疲勞、抗紫外輻射等性能方面與未強化前的合金相比，都有顯著的改進。

最后，陶瓷基復合材料以及碳／碳復合材料具有良好的強度和熱穩定性，非常適合于制作某些耐高溫的發動機部件。

現代飛機使用了哪些復合材料

目前飛機上使用的復合材料一般以纖維增強樹脂為主。嚴格地講，樹脂其實也屬于塑料，常用的主要包括環氧樹脂、聚酯、乙烯酯、酚醛和聚酰亞胺樹脂等。雖然這些樹脂低密度的特點符合飛機設計“斤斤計較”的要求，但是其強度較低，于是研究人員通過加入各種纖維來增加材料的強度。這些增強纖維主要有碳纖維、硼纖維、玻璃纖維和芳綸纖維等。

除了纖維增強樹脂復合材料以外，近20年來，以鋁、鈦及鎂等為基體的復合材料在航空領域內也取得了重大突破，如以碳化硅短纖維、氧化鋁粒子增強的鋁、鈦合金為基體的復合材料。這類材料與未強化合金相比，在比強度和比剛度、耐高溫、耐疲勞、抗震動、耐紫外線輻射、可加工性等性能方面都有大幅度的提高。

陶瓷基復合材料以及碳／碳復合材料也是近年來出現的可用作耐高溫發動機部件的兩類新型復合材料。目前用的最多的陶瓷基復合材料產品是以碳化硅或碳纖維增強的氧化物或氮化物基體材料，可用于制造飛機發動機加力燃燒室、燃燒室瓦片、噴嘴、火焰穩定器等，以代替高溫合金。這種陶瓷基復合材料抗彎強度高，斷裂韌性高，比重小，抗氧化，耐高溫，熱膨脹系數較小，工作溫度在1250℃－1650℃。與此類似，碳／碳復合材料的耐熱性也很好，能耐1650℃以上的高溫，它具有密度小、強度高、模量高、導熱性優良、膨脹率低以及抗蠕變和抗熱沖擊性等優點，已開始應用于火箭發動機的噴管喉襯、隔熱瓦片和飛機剎車塊等部位。

值得一提的是，一種近來出現的被稱作“Glare層板”的新型復合材料。這種材料具有三明治結構。外層通常是由鋁合金板組成，鋁合金板中間夾有芳綸或玻璃等加強纖維。這種Glare層板具有復合材料高強低密的特點，又兼有鋁合金的優點——韌性和抗疲勞性能好。據報道，合理設計使用Glare層板可使飛機結構減重30％，而且經濟效益更好，因此，A380客機上已大量應用了這種Glare層板。

責任編輯趙菲