淺析航空復合材料應用及發展

趙子瑄

（遼寧科技大學，遼寧 營口 151000）

1 復合材料現狀

復合材料是由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，用來承受載荷的相稱為增強體，將增強材料粘接在一起、在纖維之間傳遞載荷的相稱為基體。復合材料在性能上不僅保留了組成它的各個組分的優點，更為重要的是它的性能比構成它的單一的材料更為優異。

復合材料在航空中的應用也是近幾十年的事，但它的發展可以說并不是很慢，自從各種復合材料被發現以來，人們便發現了它所存在的各種優勢，因此把它運用到飛機行業也就勢在必行，尤其是在各種不同性質的復合材料出現以后，如何靈活的應用各種復合材料到飛機的各個部分使其為整體的飛機服務便成為了設計師們研究的重點所在。

復合材料應用于航空之中主要經過了四個階段，這四個階段中復合材料在飛機等航空運輸機上的運用都是由承受力較小并且作用也不是很大的部分逐漸變得極為重要并且承受力也逐步增大，直到現在的差不多能占到飛機整體的一半以上，可見現在復合材料的應用是多么的廣泛。作為評價飛機先進性和安全性、舒適性的重要指標，復合材料的應用正在逐步得到越來越多的重視，這也比將在今后的復合材料的應用中得到體現。

2 航空復合材料應用發展總體情況分析

2.1 層合結構

層合板亦稱層壓板、疊層板或實心層壓板、整體層壓板。層合板可制成多種結構形式，并可采用多種工藝方法成形，可設計性強，因此在航空航天飛行器結構中應用十分普遍。層合板是層合結構的基本元素。層合結構系指經過適當的制造工藝，如共固化、二次膠接、機械連接等，主要由層合板形成的具有獨立功能的較大的三維結構，如翼面結構的梁、肋、壁板、盒段，機身側壁以及飛行器部件等。

2.2 蜂窩夾層膠接結構

蜂窩夾層結構通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子膠接而成。一般面板采用強度和剛度比較高的材料，芯子采用密度比較小的材料，如蜂窩芯、泡沫芯、波紋板芯等。夾層結構具有重量輕，彎曲剛度及強度大，抗失穩能力強，耐疲勞，吸音，隔熱等優點，因此在飛行器結構上得到了廣泛應用。

2.3 金屬復合層膠接結構

利用膠接技術將纖維復合材料與鋁合金材料結合起來形成一種新型的結構材料—纖維鋁合金復合層板膠接結構。目前這種結構件在飛機上的應用還不是很多。不久的將來，鋁基復合材料可能得到較廣的應用。國外目前復合材料在軍機、直升機、無人機上的用量早已達到或超過50%；現今在大型客機上的用量也超過了50%。在通用航空領域許多小飛機的復合材料用量更高，甚至達到了結構重量的90%。可以看出復合材料的應用已經成為民用飛機實現其先進性、經濟性和舒適性的重要技術途徑之一。

在過去幾十年內，民機復合材料用量正顯著增加。上世紀七十年代及八十年代初，雷達罩、機身整流罩、內裝飾結構、控制面板等應用了復合材料，占飛機結構重量的1～3%。隨著復合材料工業的成熟以及成本降低，新一代A320、波音777 等飛機復合材料用量占結構重量的10～15%。新研制出的A380 約結構重量的1/4 是復合材料，單機復合材料有30 噸。復合材料占結構重量50%的波音787 飛機更加具有革命性，其典型特征是全復合材料的機身，并在機翼、短艙及內裝飾應用了大量復合材料。受波音787 的推動，A350XWB 復合材料將增加到53%；A400M 軍用運輸機復合材料約占結構件重量40%。

此外，空客及波音公司都將在窄機身飛機上明顯擴大復合材料的應用，這些飛機將在幾十年內最終取代目前廣泛使用的波音737 及A320 飛機。因窄機身飛機目前占全球運輸機隊的70%，這將急劇加速對航空供應鏈的沖擊。

2 復合材料的性能的優勢

1）比強度（拉伸強度與密度之比）高、比模量（彈性模量與密度之比）高。

例如，高模量碳纖維復合材料的密度只有鋼的1/5、鋁的3/5，其比強度則為鋼的5倍、鋁的4倍、鈦合金的3.5倍以上；其比模量是鋼、鋁、鈦的4倍或更高（鋼、鋁、鈦是目前飛機的主要金屬材料）。

2）具有極好的抗疲勞性能

復合材料，特別是纖維增強樹脂基復合材料，由于纖維對制件表面的裂紋或類裂紋缺陷起到了橋接的作用，故阻止了裂紋的迅速擴展，而且在拉伸時對疲勞裂紋的增長也幾乎不敏感。例如，碳纖維增強聚酯樹脂復合材料疲勞極限可達抗拉強度的70%～80%，而金屬材料疲勞極限遠遠低于這個數值，對于20～30年使用壽命的飛機，該復合材料對疲勞幾乎不敏感。

3）斷裂安全性好

纖維復合材料中大量獨立存在的纖維通過具有韌性的基體把它們粘合成整體，當構件中有少數纖維斷裂時，其它完好的纖維就會將承載接受下來并重新進行分配，因而構件不至于在短時間內發生斷裂，故斷裂安全性好。

4）高溫性能好

纖維增強的復合材料，特別是金屬基復合材料，一般均具有較好的耐高溫性能。例如，石英玻璃纖維增強鋁基復合材料在500℃下能保持室溫強度的40%；涂復了SiC 的硼纖維增強鋁基復合材料可放心地在316℃溫度下使用，力學性能保持穩定。但一般鋁合金在400℃時彈性模量大幅度下降（接近于零），而且強度也顯著下降。

5）具有很好的減振性能

由于復合材料的比模量高，其自振頻率也高，這是因為受力結構的自振頻率與其結構材料比模量的平方根成正比，高的自振頻率決定了復合材料有很強的吸振能力，可以避免構件在一般工作狀態下發生共振，不易造成振動破壞。同時，復合材料中高韌性的基體材料也具有顯著的震動阻尼特性。

6）增加飛機防腐蝕能力

復合材料較之金屬和非金屬常規材料具有更為優異的抗腐蝕性，能夠為延長飛機的使用壽命、減少民航開支、提高經濟效益。

4 結束語

飛機的絕大部分結構將采用復合材料的這一預言已經實現，人們期待著復合材料在飛機上更廣闊的應用前景，甚至全復合材料飛機的出現。近年來，我國的復合材料技術得到了迅速發展，開始朝著實現復合材料構件設計、制造、檢測一體化方向發展。借鑒國外的先進技術和經驗，對加速我國的復合材料技術的發展、擴大復合材料的應用具有重要意義。

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