先進復合材料在飛機結構中的應用探討

石顥 何丹琪

摘要：近幾年來，復合材料技術得到非常大的進步，先進的復合材料不但具有高強度，而且具備高剛度，是飛機應用的理想材料，因此相關技術人員應當加強對先進復合材料的研究并且廣泛應用于飛機結構，從而提升我國飛機的質量以及安全性。文章對先進復合材料在飛機結構中的應用進行了探討。

關鍵詞：復合材料；飛機結構；軍用飛機；民用飛機；飛機質量；安全性 文獻標識碼：A

中圖分類號：V258 文章編號：1009-2374（2016）27-0058-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.027

復合材料是指兩種或兩種以上化學性質以及物理性質不同的物質進行相關組合而成的固體材料，其可以承受荷載，將增強型材料粘貼在一起，進行纖維傳遞荷載的稱為基體。復合材料不但保留其各個部分的優點，而且性能比單一性的材料更為出色。一般來講，復合材料按照不同的分類法進行劃分，主要分為三種：首先，按照基體類型劃分，分為金屬基、樹脂基、無機非金屬基；其次，按照增加體形狀以及種類進行劃分，分為纖維增強、夾層增強以及顆粒增強復合材料；最后，按照其性能進行分類，主要分為結構復合以及功能復合

材料。

1 復合材料的優點分析

1.1 比強度以及比模量高

比強度是指拉伸強度和密度的比值，比模度是指彈性模量和密度的比值。復合材料的比強度與比模量高。比如，碳纖維的復合材料的密度雖然只有鋼材的五分之一，但是其比強度幾乎和鋼材的強度一樣。此外，其比模量是鋼材的四倍或者更高。一方面減少了制造飛機的結構重量；另一方面增加了飛機結構的強度，從而為飛機帶來良好的經濟效益。以波音飛機747為例子，其平均每年可以節省大約26000美元的燃油費。

1.2 良好的抗疲勞性

復合材料，尤其是纖維類樹脂基的復合材料，由于制作表面裂縫起到一定的橋接作用，不但可以有效阻止裂縫擴展，而且拉伸時對疲勞裂縫的影響較小。比如，纖維增強的復合材料的疲勞極限強度可以達到抗拉強度的80%，而傳統金屬材料遠遠低于這個標準，因此將這種材料運用到飛機上是非常明智的選擇，對于飛行20～30年的飛機，該復合材料幾乎沒有產生太大的

變化。

1.3 斷裂安全性較好

一般來講，纖維復合性材料之中存在大量纖維，由于纖維具有一定的韌性以及將其緊密粘貼在一起，從而促使其成為一個整體，如果構件中存在一部分的纖維斷裂，其他完好纖維可以對構件荷載進行重新分配，因此構件短時間之內不會出現斷裂的現象，材料的斷裂安全性比較好。

1.4 復合材料紅硬性好

所謂紅硬性是指復合材料的高溫性能，一般來講，纖維增強型的復合材料，尤其是金屬基的材料，其具有較好的耐高溫的性能。比如，石英玻璃纖維的復合材料在500℃依然保持40%的室溫強度。一般來講，涂抹SIC材料之后的復合材料不但可以在316℃的環境下使用，而且性能比較穩定。

1.5 具有較好的減震性

一般來講，復合材料比模一般較高，因此其震動頻率也就較高，這主要是因為受力結構的振動頻率和結構材料的比模成正比的關系，自振頻率較高就決定復合材料具有較強的吸震能力，不但避免飛機構件工作狀態產生共振現象，而且可以有效保護飛機不受振動損壞。復合材料中一般具有高韌性基體材料，從而具有明顯的減震性能。

2 復合材料是制作飛機的理想材料

我國的飛機結構在20世紀70年代左右就開始應用先進的復合材料，復合材料對于飛機具有十分重要的意義，不但促使飛機結構重量減輕，而且強度進一步增加。隨著復合材料技術的不斷發展以及成熟，先進的復合材料被廣泛應用在軍用以及民用飛機上，其使用量也在不斷增加。隨著復合材料不斷使用，促使復合材料相關產業規模越來越大，復合材料逐漸成為穩定成熟的飛機制作材料，現代飛機的結構中使用的復合材料量越來越大，從最初在受力較小的構件上使用復合材料，發展到現在在機翼、機身等受力較大的位置廣泛使用復合材料。這不僅僅是飛機性能的需要，而且也是商業競爭以及經濟效益的結果。由于這種材料具有高比強度以及高比剛度等優點，因此其應用也逐漸廣泛。我國最新研制的飛機，不但機翼、垂尾等構件使用復合材料，而且機身也廣泛應用復合材料，從而促使飛機結構一體化。此外，由于復合材料的價格逐漸降低以及性能逐漸提高，從而促使飛機構件選材從金屬轉變為復合材料。

3 飛機結構各種復合材料分析

3.1 樹脂基的復合材料

一般來講，樹脂基的復合材料占據了整個飛機重量的十分之一，飛機結構主要包括機翼、尾翼、機身等。波音飛機公司已經研發了最新一代的飛機，是采用復合材料為主的大型飛機，這架飛機名為B787。在這架飛機制作中使用最多的是碳纖維增加型樹脂基材料，不但具有較高的強度，而且具有一定的尺寸穩定性以及較高的比模量，其機身的蒙皮、地板梁、機翼蒙皮以及龍骨梁等均采用碳纖維的樹脂基型復合材料。

3.2 金屬基的復合材料

相比傳統的金屬，金屬基復合材料不但具有高比強以及高比模，而且熱膨脹系數小，不但具有耐高溫的特性，而且具有耐磨損的優點，因此作為新型的結構材料，其對于飛機意義重大。一般來講，飛機的發動機就是飛機的心臟，因此為了確保飛機的可靠性以及安全性，發動機應當應用耐高溫的材料。英國已經使用金屬基復合材料取代耐熱鋼發動機，從而促使發動機的重量減輕了40%左右。

3.3 無機非金屬基的復合材料

該復合材料不但具有低密度耐高溫的特點，而且具有使用壽命長以及耐磨損的優點。目前，歐美的公司已經研發出了新的飛機剎車盤，其主要制作材料為無機非金屬基的復合材料。一般來講，飛機剎車導致的摩擦會使溫度升高約500℃，尤其是緊急剎車，溫度會上升1000℃以上。因此使用無機非金屬基材料相比鋼制材料具有很大的優點，不但減輕飛機的重量，而且可以耐受較高的溫度，以前飛機剎車盤僅僅可以使用300次左右的著陸，而使用無機非金屬基之后，壽命提高了6倍以上，可以達到1800次以上的起落壽命。

3.4 夾層增強復合材料

第二代的航天復合材料稱為GLARE，其是由鋁合金以及高強度的玻璃纖維鋪設而成，不但具有較低的密度，而且具有高強度以及抗疲勞的優點。此外，這種材料具有很好的防火性以及抗損傷性。在伸拉以及疲勞負載試驗中，采用這種材料可以促使結構總體質量減少30%左右，從而成為飛機的候選結構材料。此外，通過實驗表明，在這種材料上人為制造一條裂縫，經過千次的飛行，其裂紋沒有出現擴大現象。因此由于其性能的優越，成為未來飛機蒙皮的主要候選材料，比如A380飛機的機身，就考慮使用這種材料。

4 先進復合材料在軍用、民用飛機中的應用

4.1 軍用飛機上的應用

一般來講，我國的軍用飛機應用復合材料大致分為三個階段：第一階段，復合材料主要用在受力比較小的部件上，比如口蓋、艙門、整流罩等；第二階段，先進復合材料主要應用在尾翼的次承力的相關部件上，比如幻影2000、F15、F16、F18等機體的尾翼均使用了復合材料，復合材料不但密度低，而且質量輕，因此一般軍用飛機使用復合材料可以大幅度減輕飛機重量；第三階段，軍用飛機應用復合材料做機身以及機翼，不但可以承受較大的壓力以及重力，而且應用的規模也較大，自從1976年美國研制成功用復合材料做機翼的飛機，各國的軍用飛機的機翼都采用了復合材料，比如法國陣風飛機、瑞典的JAS-39飛機、俄羅斯的C-37飛機以及英國、德國、西班牙以及意大利合作研制的臺風飛機等。

目前，世界各國的軍用飛機的復合材料大約占到全飛機總質量的20%～50%，此外，直升機以及無人機的復合材料也得到較快的發展，比如美國的科曼奇RAH66直升機，其復合材料占全飛機總質量的一半以上。又比如，歐洲的虎式直升機，其符合材料的用量達到飛機總材料用量的八成以上，甚至無人機也廣泛使用復合材料，比如歐洲研制成功的無人機太陽神號。飛機復合材料技術不斷發展，應用不斷廣泛，是否使用復合材料以及復合材料使用比例成為衡量飛機是否具有先進性的重要標志。我國從20世紀70年代開始在軍用飛機上也開始應用復合材料，其中六五期間研制復合材料的垂尾、20世紀90年代研制復合材料的前機身。

4.2 民用飛機復合材料應用分析

一般來講，民用飛機大約從20世紀70年代左右開始使用復合的材料，主要包括商用干線客機、小型航空飛機以及商用支線客機等，比如波音飛機的復合材料應用進程主要有四大階段：第一階段，使用在受力較小的構件上，比如口蓋、前緣、整流罩等；第二階段，主要是用于制作方向舵、升降舵等；第三階段，主要應用在大型客機的平尾以及垂尾等受力較大的構件上，比如波音B777在垂尾以及平尾一共用掉復合材料9.9噸，占整個飛機總質量的十分之一以上；第四階段，主要受力部件廣泛應用復合材料。比如機翼、機身等構件上應用復合材料；波音公司研制的B787夢想機，復合材料的用量占整個飛機總用量的一半以上。

5 結語

綜上所述，由于復合材料相比傳統金屬材料具有獨特的優點，不但促使飛機總體質量更輕，減少飛行的燃料費用，而且強度大以及耐磨損，從而增加飛機使用壽命。因此相關技術人員應當加強對復合材料的相關研究，不但促使復合材料技術更進一步，而且提高飛機的安全性以及可靠性，未來的飛機構件將更為廣泛地應用復合材料。

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（責任編輯：蔣建華）