金屬復合材料在制造業的應用

（遼陽職業技術學院，遼寧 遼陽 111004）

20世紀40年代初,復合材料被廣泛應用于民航方面。得益于GFRP良好的透波性,英國成為世界上最早利用GFRP制造機載雷達罩的國家。美國花了很長的時間致力于新材料—GFRP的研發,美國第一架大部分零部為件GFRP的全塑飛機于1967年成功地飛上了藍天。當時的載客量為四人。借助新材料的優勢這架飛機的自重減輕超過了450kg,使飛機的速度與承載能力得到了很大的提高。進入新紀元,民用飛機制造商將復合材料在飛機制造上的使用比例作為行業標準。因為復合材料能夠實現新飛機機體減重進而降低直接運營成本。使之在殘酷的市場競爭中立于不敗之地。西方資本主義國家借助其先進的技術水平和研發能力將復合材料廣泛應用于大型民用客機上。當然法國、意大利一起研發的ATR-72這個名字的飛機上，利用的材料中的復合材料就占了百分之二十以上。遙想到歐洲這個強大的科技大國聯合中，它們的空中客車如果從現在往回推算的話已經有30年以上了。在這個系列當中，所選擇的材料當中復合材料的比重是逐漸增加，從開始的百分之三變成了現在的百

分之二十，除了以上的質的飛躍，現在最高端的還要屬A380，在它身上復合材料被利用的更多已經達到了百分之二十二，質量上以單機為例也是29937kg。大家可以看到，空中客車也就是飛入藍天的飛機上，制造它們所采用的材料中復合材料所占據的比重是一年比一年要大，這一現象就能體現出來我們未來的、在天空翱翔的客機是如何發展的，它們的發展朝向是什么樣的。進行到這里，我們以美國公司，即波音公司為例繼續探討一下，大家都知道美國在科技發展方面可以說是龍頭老大，它們公司所生產的飛機，其中復合材料的用量是1429kg，它的名字叫B757,可是現在生產的飛機名字是B777居然在復合材料的用量質量是9900kg，再進一步發展到現在，大家可以驚喜的知道最新的飛機是B7E7，復合材料已經應用的更加多了，幾乎已經達到整體的一半了，這簡直在民機研發史上可以說是里程碑式的飛躍。基本上所有特別主要的支架等部分都用到了復合材料。我們從調研中，當然是國外市場的，可以看到雖然我們復合材料在各個方面的應用上并不是盡善盡美，還有很多不足的地方，但是對于客機這一部分復合材料的這種大規模的使用上還是呈良性的增長的，也算在復合材料中增長的最快也是最大的一項應用了。在以后的高空中、飛快的速度下、逐漸使用的信息系統中、將來我們肯定會將復合材料直接應用到軍事方面，甚至完成無人機的愿望，還有導彈而且是超高聲速的，越來越多的應用等待著復合材料。“一代材料，一代飛機”，隨著科技和制造業的不斷進步，新材料的發展也飛速提升。不斷創新的新材料制造技術大大改善了飛機的性能。復合材料的廣泛應用改善了民用飛機的經濟性、舒適性、環保性，克服了民機受使用條件和自然環境的障礙，提高了民機制造業的整體水平。

1 提高了民用飛機的經濟性

舉個例子，通過使用復合材料波音B787整體機身省去了所有縱向蒙皮拼接件，大大減少了鋁合金板的使用同時也減少了4萬～5萬個連接件，雖然復合材料的成本大大高于鋁合金，但從長遠的角度考慮使用復合材料還是經濟合算的，因為使用這種復合材料它的好處之一就有質量輕、省油最重要的還是省錢也就是維修的成本越來越低了。飛機的購買價格、油耗、維修成本等都是民用飛機的主要成本。波音B787的場外維修間隔時間從波音767的500h提高到1000h，維修費用比波音B777降低了32%，都大大降低了飛機成本。

2 提高了民用飛機的舒適性

復合材料具有優異的抗疲勞特性，借助這一特性波音B787飛機克服了大型民用飛機舷窗最易產生疲勞損傷的弊端設計了大尺寸舷窗，使旅客可以擁有更大的視野。通過技術升級，波音B787的舷窗尺寸增加到280mm×480mm，比空客A330/A340的窗口面積增大了78%。波音B787通過使用復合材料在機身只增加70kg的情況下，使客艙的氣壓達到1800m高度處的壓力。優于大部分飛機艙內氣壓相當于2400m處的壓力。而我們單獨看飛機的機身，用鋁合金進行制作的話，如果也想跟之前的指標一樣，也不是無法達到，只是有一個增重的弊端，它的質量將會增加一噸。還有的好處就是復合材料的性能之一就是比較耐腐蝕，這個特性就能讓波音B787飛機當中的座位艙室內部有很好的濕潤感，從而提高它的濕度，那么相比之下這個濕度要遠遠高于目前現有的飛機也就是由鋁合金制造而成的。既然有了這個特點就能增加旅客的舒適性，不會因為干燥而產生脫水的現象。

除了以上的優勢以外呢，這種飛機的整體成型上，如果使用復合材料的話它的機身需要的緊固件就更少了，不像鋁合金機身使用那么多的鉚釘去連接，反而質量并不理想，重量也更大。這樣以后它的光潔度肯定要更好了，因為連接處更少了，同時噪音也更低了，我們作為旅客的話就可以更好地享受旅途過程，這些都要歸功于復合材料的應用。

3 提高了民用飛機的環保性

輕便的復合材料結構件能夠提高飛機的飛行效率，降低油耗。現在燃油的價位是越來越高，不僅如此國家對這個燃油的污染排放量級標準也是出臺各種各樣的新政策進行制約，種種跡象都可以看出復合材料在節能減排這一領域可以說是還未遇到敵手，重復體現它的優勢。波音B787與同類飛機相比可以節省20%的燃油，這當中的8%是依靠應用復合材料而實現的。現在全球氣候逐漸變暖，在這個大環境中，波音787的優勢被放的越來越大，也越來越受到青睞。空中客車A380與A350的特點：近代民機制造史上空客A380最先大量使用復合材料，其中主要部位中央翼盒、機翼前緣、翼肋、機翼后緣操縱面、機身上蒙皮壁板、客艙地板梁、后壓力框、機身尾段、尾翼、機身機翼整流罩和起落架艙門等采用了復合材料。復合材料的用量達到30t，占總質量的25wt%。我們首先看A389的中央翼，它的質量就有8.8t，看著是蠻大的，可是相比之下這要比鋁合金材料制造的質量要少很多將近1.5t，那為什么會出現這一差距呢，這就要歸功于碳纖維復合材料。

4 結語

除了以上減重這個優點以外我們再來研究一下其他方面，這次看看A380的機翼前方所用的材料是什么，它也有很多的優點，比如質量輕，這是顯而易見的，還有就是不僅輕，而且制作起來也不那么繁瑣費時，而且能更好的延長損害后的使用壽命等等，那么包含這么多優點的材料是什么呢？即為玻璃纖維材料。機翼中間和外側襟翼及其滑軌整流罩、擾流板，以及副翼均采用了碳纖維復合材料。A380的機腹整流罩采用了輕型蜂窩結構。A380飛機的制造材料根據不同的位置也有所不同，比如說在機身的壁板上就要用GLARE板進行制造，需要用27塊這種板才可以。它的面積有將近500多平方米。GLARE板是由鋁合金薄板和玻璃纖維增強環氧聚合物復合材料鋪層交替排列構成的一種纖維－金屬層合板。GLARE板具有良好的拉－壓疲勞性能因為其結合了金屬材料與樹脂基復合材料的優點。該性能降低了對缺口和沖擊的敏感性,可以較好地解決機身對外來物沖擊的損傷容限難題。當今世界上民用飛機使用復合材料用量最大的為A350，用量為52wt%，超過了波音787復合材料的用量。A350機身設計分前、中、后3段，直徑為5.89m。A350機身段由4塊碳纖維復合材料蒙皮壁板連接而成，而不像波音B787那樣整段纏繞而成，這種設計的原理是每塊壁板的厚度及纖維鋪設方向可以根據具體的載荷要求進行優化，不需要大型熱壓罐。A350的壁板結構之前已經說了制造起來并不那么的繁瑣費時，所以它維修起來也同樣不那么費事，比較簡單，簡單在哪呢？就是一旦受損的話，我們只需要把壁板給它換成新的，不用把整個機身都卸下來進行修理。但是像這樣的結構不僅不利于實現座艙的氣密性，而且該結構存在著組裝工作量大和連接件數量增加等缺點。A350的機尾段不得不采用整體成型技術，因為A350的機尾段是錐形筒體結構，難以和等直段一樣采用壁板化的方法來制造。