航空復合材料技術發展簡析

王迅

【摘要】復合材料技術自研發以來，被廣泛地應用于航空航天領域。隨著目前航空航天領域的不斷發展，其需求也不斷增大，對復合材料也就提出了新的要求。今后的發展中，復合材料降低成本、綜合應用的趨勢勢在必行。文章通過對復合材料的發展歷程的總結介紹以及對目前復合材料的新氣象的總結，提出對復合材料發展趨勢的預測。著重討論了目前復合材料發展的主要矛盾和未來的發展期望。

【關鍵詞】航空；復合材料；技術

航空復合材料，即材料體系應用于航空結構，技術上不光研究材料本身構造，更要研究材料低成本的生產工藝和高性能的航空適用性，所以航空復合材料技術必須考慮到材料的維修和質量檢測環節。航空復合材料技術中經常會牽涉到防雷擊問題、環境污染問題或使用安全問題，這些問題與材料設計密切關聯。航空復合材料技術必須發展力學性能的表現手法和實驗標準，材料在設計構造和制作工藝上必須與使用功能相匹配。

一、航空復合材料技術發展回顧

上世紀七十年代美國NASA技術就帶領民用航空機發展了先進的航空復合材料，為美國民用航空機啟用復合材料提供了巨大的技術支持。而后NASA又提出了ACEE計劃，擴展復合材料在航空事業中的應用空間，由Boeing、Douglas、Lockheed負責多個研究項目，致力于民用機尾翼、機翼和主體部分的材料設計和塑造，并建立了專業的材料屬性審評體系。當時這三個公司各自成功研制出Boeing727升降舵、DC-10上方向舵和L-1011副翼，加上水平和垂直方向的安定面，獲得民用航空機復合材料的次結構技術。

此階段復合材料技術在研究機身和機翼的主體結構上也投入很大心力，曾嘗試利用樹脂韌性改善材料的損傷容限，期望生產一個成本上符合實際情況的機身構造部件，而結果卻以失敗告終。后來NASA聯合制造工業繼續研發民用航空機身和機翼的主體結構的復合材料，主要從降低材料損傷容限和制造成本這兩個方面入手，計劃利用紡織工業生產操作手法提高復合材料厚度。經過長期實踐發展，航空復合材料機身和機翼結構的研制計劃正式步入正軌，得出一個基本結論：紡織結構的復合材料技術非常適用于復合載荷機身框架和窗艙框架加設筋板。

McDonnell Douglas公司推出的具備強大競爭力的機翼復合材料生產技術，證明實現機翼縫合技術已經有了基本條件。最佳的紡織業操作手法是融入樹脂膜滲透模塑的碳纖維織物縫合技術。航空復合材料的紡織結構不適合機體結構中的大平面結構，只能用于機體特定部位，如有固定損傷容限且柔韌性較好的有強化要求的元件，一些彎曲部位的機身框架和艙窗間加筋板。

二、航空復合材料技術新氣象

根據美國政府已經采納的國家研究委員會提供的航空科研咨詢一書，得知目前航空事業和制造工業在先進材料的應用準則上已經發生了重大變化，進一步強化航空事業在飛機制造業中關于制造成本的降低要求。民用航空復合材料應用準則上要求的成本降低事項可以有一個緩沖過渡期，并不是強制性革命性瞬間整改。復合材料的研制技術在內容上也有了新的變動。

眼下民用航空機在新復合材料使用上重點追求成本的降低，綜合體現在設計成本和制作成本上，同時要求進一步提高材料的可維護性。根據這一基本目標，研究者從增韌熱固性聚合物和高性能熱塑性材料上重點展開探索。以往復合材料有關韌性方面的研究基本聚焦在發生沖擊后機體結構的損傷容限的評估上，近期發展出額外的機體組件的抗損傷能力研究，觀察損傷事件對結構性能的影響。即使目前復合材料已經能夠很好地應用增韌體系，但是增韌體系成本一直是業界的一大痛點，苦于一直研發不出新的工藝技術，纖維束鋪設、樹脂傳遞塑模和樹脂膜滲透難以有最佳契合度。

三、航空復合材料技術發展趨勢

航空復合材料在市場上的受歡迎度一直處于平穩狀態，這個現象多半源于材料自身的成本問題。實際上航空復合材料成本在復合材料組件的總成本中占比還不到百分之十，因為總成本先中最高的還是加工成本。以往復合材料屬性功能是推動技術研究的核心動力，而當下材料成本卻成為研究過程的最大問題。所以現在航空復合材料技術每研發一個新工藝，其核心目標總離不開低成本的原則框架，可見不久的未來，航空復合材料技術還要在成本限制中度過很長一段時間。

推動民用航空事業使用新型材料的因素使得航空復合材料技術在設計上更為簡化，制造上趨向于低成本，使用上更加追求材料的耐久性和可維護性。復合材料中增韌熱固聚合物和高性能熱塑性聚合物與新的生產工藝更為協調，有望進一步推動新型復合材料的技術發展，為實現材料簡化、耐用且成本低提供了更大的可能性。同時材料優化方面將基于應用準則進一步提高大小尺寸機組元件的平衡技術。

四、結語

上述內容從國外航空復合材料技術的應用歷史展開闡述，主要對復合材料的概念、優越性以及涉及到的問題進行了簡要介紹，對航空復合材料技術發展的過程進行全面分析，并對航空復合材料技術的發展現狀和方向做了相應的探究。總的來說，具有質量小，強度高和性能強等諸多優點的復合材料在航空領域應用還有很大的發展前景。但在前景開發的路上，還有成本、可維護性、增韌體系等等諸多問題需要解決。為了多方位復合技術的發展和航空技術的自我超越，必須重視復合材料的重要性。

總而言之，航空復合材料在擴大機身主體結構應用上仍舊是材料結構研發重點。因為這是飛機飛行中實現減重，提高飛行穩定性的最佳途徑。

參考文獻

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