淺析復合材料在現代民航飛機上的應用

周少棟

摘 要：復合材料于20世紀60年代發展起初，還只限于軍用機的使用，隨著復合材料的技術日益發展和廣泛推廣，復合材料結構也逐漸在民用航空器上應用的越來越多，復合材料的維修成了民用航空器結構修理實踐的需要。本片論文主要是對目前先進復合材料在國內外的民航飛機上的應用情況進行了大致的介紹，并且簡要的介紹了復合材料在現代飛機上的應用，對我們了解和學習復合材料的應用也是非常重要的。

關鍵詞：復合 材料 應用

中圖分類號：TB333 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（b）-0090-02

1 復合材料的發展簡介

首先了解什么是復合材料，這個使我們對復合材料有進一步的了解，通常認為飛機由2種或者2種以上的材料組成，但是從基本特性上任然保持原有的物理和化學特性，在兩者之間有明顯的界面材料，以此我們稱之為符合材料，早期使用的復合材料用在蓋房子等日常生活中，而近代復合材料用在玻璃鋼為代表的，即以玻璃纖維增強樹脂用作結構材料，并于20世紀用于美國“蚊5”等飛機機體結構的制造上。但因玻璃鋼自身固有的弱點，不能用于主承力結構，直到出現所謂的先進復合材料后，其研究和應用才有了劃時代的發展。可用于主承力結構和次承力結構、剛度和強度性能相當于或超過鋁合金的復合材料稱為先進復合材料（advanced composites）主要指由有較高強度和模量的硼纖維、碳纖維和芳綸（凱芙拉）等增強的復合材料，其中應用最廣的則是碳纖維復合材料。

2 復合材料的種類特點

2.1 復合材料的種類及說明

復合材料的分類很多，可以從圖中看出，可以按照多種不同的分類方式來進行區分，大致可以分為分散相材料形狀分，纖維長短分，基體材料分，應用情況分，結構形式分。（見表1）

2.2 復合材料的特點

與傳統材料相比復合材料有下述特點。

（1）可設計性：從材料的可設計性上來分析復合材料也是我們民用航空器重要的出發點之一，傳統的材料隨著周邊環境的影響變化非常大，比如溫度，當溫度變化時，傳統的材料會受溫度的變化，產生體積變形等問題，而對于復合材料因為他具有兩種或者兩種以上的材料，可以進行相互補償的作用，對溫度的變化自然就比傳統的材料好的多，復合材料從力學，電腐蝕，抗老化等各個方面都有較高的性能。我們可以使用復合材料做成飛機各個結構上的形狀，便于維護和施工，從這個方面上來講，對我們航線維護和定檢維護獲得了很大的好處。

（2）材料與結構的同一性：復合材料通過加工其結構性質任然可以完整的保留，這一個特點對航空結構飛機非常重要，在現在的民航客機中，由于多種材料連接，而造成的腐蝕明顯增多，對于一些采用了復合材料的情況，就可以明顯減少由于化學電位差的不同造成點位腐蝕等情況明顯的減少，通過這個特性可以發現我們現在所使用的復合材料大大保持了材料與結構的同一性這個優勢。

2.3 復合材料的優點

與傳統的材料相比，復合材料在性能上有下述幾個優點。

（1）比強度、比模量大。拉伸強度與密度之比成為比強度；彈性模量與密度之比成為比模量。在多數狀態下，這兩個比值是度量材料承載能力的一個極重要的指標。復合材料與金屬材料相比，具有高的比強度和比模量。例如，鋁合金比強度和比模量分別是0.17和0.26，而碳纖維/環氧樹脂復合材料的比強度和比模量分別是0.63和1.50。

（2）復合材料的耐疲勞性能好。復合材料的抗疲勞性能比金屬材料的抗疲勞性能優越。例如，一般金屬材料的疲勞極限是拉伸強度的45%～50%，而碳纖維/聚酯樹脂復合材料的疲勞極限可達抗拉伸強度的70%～80%。

（3）復合材料具有脆性材料的特性。在到達失效點之前，他們的應力-應變關系是線性的。

3 復合材料在民用飛機上的應用

眾所周知波音和空客是當今世界上兩大民用飛機制造商，其同期產品波音787和A380上應用的復合材料是當今世界民用大飛機復合材料領域中的先進材料。

3.1 波音公司大型民用飛機的復合材料用量情況

波音公司復合材料技術的應用也經歷了從次承力構件向主承力構件過渡的過程。B757飛機上復合材料的總用量達到了2t，約占結構重量的2.5%；B777飛機共用復合材料9.9t，約占結構重量的11%；B787的復合材料用量創歷史最高記錄達到 50%，鋁合金用量只占20%。上述占比都指重量百分比，由于復合材料密度小，如果按體積百分比計算，這個數據就更懸殊了。環氧樹脂與石墨成為787客機主要復合材料，機體主要復合材料為強化環氧樹脂與石墨的化合物。機翼部分的復合材料還將包括鈦和金的化合物。新型的復合材料使飛機更耐用，同時降低了維修要求，增加了未來發展的潛力。復合材料的使用提高燃油效率20%（其中12%的貢獻來自于大量采用復合材料結構），B787飛機的復合材料用量占結構重量的50%，其中碳纖維復合材料為45%，玻璃纖維復合材料為5%。波音B787飛機主結構的50%采用了復合材料，它包括整個機身尾段，機身和機翼的一些主要部件；鈦和鋼占到了B787材料總量的25%，用在機翼的某些部件、起落架、發動機掛件等部位；傳統的鋁材占了25%；而塑料、橡膠和其他材料占了5%。它是世界上第一個采用復合材料機翼和機身的大型商用客機，其復合材料應用廣度遠遠超過B777。波音公司在以后生產的飛機上將會進一步擴大復合材料的使用比例。

3.2 空客公司大型民用飛機的復合材料用量情況

空客公司也一直注重復合材料的研究與應用，空客系列飛機復合材料所占結構重量比例也在不斷上升。其主要應用部位包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、機身、地板梁、后承壓框等。空客自70年代中期開始研究復合材料，1983年生產A300、A310的復合材料方向舵，重量減輕20%；1978年開始研制A310、A320的垂尾，1995年完成，減重20%；此后在A320、A322、A330、A340等機型中復合材料用量達結構總重的15%左右，A340-500和A340-600還應用了熱塑性復合材料機翼前緣。由于復合材料在A320、A340等飛機上的成功應用以及復合材料設計、制造和檢查維修等技術的日漸成熟，復合材料在A380結構上的大量應用是一種必然。

4 討論與總結

隨著科技的不斷進步和民航事業不斷的發展，新型的復合材料將被廣泛的應用到我國民航飛機中去。復合材料固有的缺點也將因技術的發展而不斷消除，通過控制冷卻速度等來控制金屬基體的性質，從而讓金屬基復合材料的性能得到進一步提高，相信在不久的將來復合材料將在我國生產的打飛機上得到廣泛應用。

參考文獻

[1] Boeing737-600/700/800/900 AMM，Part I，SDS D633A101-BEJ. 2014-02-15.

[2] Boeing Fleet Team Digest 737NG-FTD-30-01005.

[3] Boeing Fleet Team Digest 737NG-FTD-30-06001.

[4] Boeing 737 DDG D6-32545-TBC. 2012-11-30.