現(xiàn)代飛機(jī)的“血肉”：復(fù)合材料

沈海軍

在大多數(shù)人的印象中，飛機(jī)是銀光閃閃的飛鷹，之所以如此，主要是因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)的飛機(jī)采用了包括蒙皮在內(nèi)的銀白色鋁合金結(jié)構(gòu)。然而，自上世紀(jì)70年代末以來，以碳纖維復(fù)合材料為代表的各種復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的用量不斷增多，正使得這一狀況發(fā)生著微妙的變化。

2005年和2007年，世界上最大的民用客機(jī)——空中客車A380以及美國的大型噴氣客機(jī)——波音787相繼誕生，它們代表了當(dāng)今世界民機(jī)的最高水平。細(xì)心的人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，在這兩款飛機(jī)的選材介紹中，復(fù)合材料的用量均達(dá)到空前水平。其中，A380飛機(jī)上的復(fù)合材料用量為25％左右，而波音787飛機(jī)上的復(fù)合材料用量則超過了50％。事實(shí)上，除了上述民機(jī)以外，現(xiàn)在最先進(jìn)的第四代戰(zhàn)機(jī)F－22、F－35等的復(fù)合材料用量也分別高達(dá)24％和30％。A380、波音787、F－22、F－35等一批先進(jìn)飛機(jī)的問世標(biāo)志著現(xiàn)代飛機(jī)已從“鋁為主，鈦、鋼、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)并存”的時(shí)代邁向“復(fù)合材料為主，鋁、鈦、鋼結(jié)構(gòu)共存”的新時(shí)代。

另據(jù)專家透露，在我國著手建造的國產(chǎn)大飛機(jī)上，傳統(tǒng)的鋁合金部件有望被大量輕而強(qiáng)韌的碳纖維等復(fù)合材料所取代，并且這件完美“外衣”將盡可能地實(shí)現(xiàn)中國制造。

第四代材料

那么，到底什么是復(fù)合材料呢?不同的組織或出處給出的定義略有不同。如，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織將復(fù)合材料定義為：“兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料”；而“材料大辭典”則將復(fù)合材料定義如下：“復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料。它與一般材料的簡單混合有本質(zhì)區(qū)別，既保留原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^材料設(shè)計(jì)使原組分的性能相互補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)越的性能?！?/p>

可見，復(fù)合材料并不是什么新材料，它只是由兩種或兩種以上的不同材料組合而成的工程材料而已。也許其中某種組分的某項(xiàng)特性并不優(yōu)越，但不同材料之間卻能互相協(xié)同，取長補(bǔ)短，使復(fù)合材料的最終綜合性能優(yōu)于原組成材料，從而滿足各種不同的要求。

研究人員把復(fù)合材料這種揚(yáng)長避短的作用稱為復(fù)合效應(yīng)。人們利用復(fù)合效應(yīng)可以自由選擇復(fù)合材料的組成物質(zhì)，人為設(shè)計(jì)各種新型復(fù)合材料，從而把材料科學(xué)推進(jìn)到新的階段。所以，國外也把復(fù)合材料稱為第四代材料或“設(shè)計(jì)材料”。

現(xiàn)代飛機(jī)為何大量使用復(fù)合材料

目前飛機(jī)上廣泛使用的復(fù)合材料以碳、硼、玻璃等纖維增強(qiáng)樹脂為主。這些碳纖維、硼纖維或玻璃纖維通常具有很高的強(qiáng)度和剛度，而樹脂基體的密度很低。除了上述的纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料以外，飛機(jī)上還使用了金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料以及碳／碳復(fù)合材料。

現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)中之所以大量使用這些復(fù)合材料，主要有以下幾個(gè)原因。

首先，和金屬材料相比，復(fù)合材料具有更高的比強(qiáng)度和比剛度。這里所說的比強(qiáng)度、比剛度指的是材料的強(qiáng)度或剛度除以密度。這是兩個(gè)衡量材料承載能力的重要指標(biāo)。顯然，比強(qiáng)度和比剛度越高，說明這種材料的重量越輕，并且相對(duì)強(qiáng)度和剛度越大。碳、硼、玻璃等纖維增強(qiáng)樹脂的這些特性，正是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是航空、航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)材料的基本要求。

其次，復(fù)合材料具有良好的抗疲勞性能。飛機(jī)在滑行、起飛、降落和著陸過程中不斷經(jīng)受著交變的循環(huán)載荷，即所謂的疲勞載荷。結(jié)構(gòu)或材料承受這種疲勞載荷的能力通常被稱為材料的抗疲勞性能。研究表明，金屬結(jié)構(gòu)在受到疲勞載荷時(shí)，局部位置極有可能萌生裂紋，裂紋進(jìn)而會(huì)在不知不覺中增長，最后突然斷裂。相比之下，復(fù)合材料的疲勞斷裂通常是從基體開始，逐漸擴(kuò)展到纖維和基體的界面上，始終沒有突發(fā)性的變化。因此，檢修人員可以有足夠的時(shí)間來檢查和補(bǔ)救。一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，用碳纖維復(fù)合材料制成的直升飛機(jī)旋翼，其疲勞壽命比用鋁合金金屬的長數(shù)倍。

第三，復(fù)合材料具有良好的安全性及減振性能。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基體中有成千上萬根獨(dú)立的纖維。當(dāng)用這種材料制成的構(gòu)件超載，并有少量纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)被迅速重新分配并傳遞到未遭破壞的纖維上，因此整個(gè)構(gòu)件不至于在短時(shí)間內(nèi)喪失承載能力。與此同時(shí)，纖維復(fù)合材料的纖維和基體界面的阻尼(指振動(dòng)系統(tǒng)能量損失、振幅逐漸減小的能力)較大，因此，纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的振動(dòng)衰減時(shí)間比相應(yīng)的輕金屬結(jié)構(gòu)要短得多，即具有較好的減振性能。

第四，復(fù)合材料的成型工藝簡單。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一般適合于整體成型，因而減少了零部件的數(shù)目，從而可減少設(shè)計(jì)計(jì)算工作量并有利于提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。另外，制作纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件的步驟是把纖維和基體黏結(jié)在一起，先用模具成型，而后加溫固化，在制作過程中基體由流體變?yōu)楣腆w，不易在材料中造成微小裂紋，而且固化后殘余應(yīng)力(構(gòu)件在機(jī)械制造加工的過程中，將受到來自各種工藝等因素的作用和影響，在這些因素消失后，若構(gòu)件所受到的上述作用力不能隨之完全消失，仍有部分作用和影響殘留在構(gòu)件內(nèi)。則這種殘留的作用和影響被稱為殘留應(yīng)力，或殘余應(yīng)力)很小。這些對(duì)提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命都是極其有利的。

第五，使用復(fù)合材料的經(jīng)濟(jì)性價(jià)比高。雖然碳纖維等復(fù)合材料的成本在目前依舊比鋁合金要貴，但飛機(jī)重量大幅度減輕所帶來的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料成本較高的負(fù)面效應(yīng)。根據(jù)波音公司的承諾，使用了50％復(fù)合材料的波音787飛機(jī)可以降低20％的油耗，其中有8％的油耗歸功于大量使用復(fù)合材料后顯著減輕了機(jī)身重量。另外，與鋼或鋁合金零件相比，復(fù)合材料更適合整體化成型，如波音787機(jī)身就是由4個(gè)大型復(fù)合材料機(jī)身段拼接而成。減少了零部件數(shù)量就意味著成本的降低。與此同時(shí)，由于選用了大量的復(fù)合材料零部件，傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)機(jī)械修補(bǔ)方法，如鉚接、焊接、螺接等可以大量被新的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠接修補(bǔ)技術(shù)所替代。復(fù)合材料膠接修補(bǔ)不僅工藝簡單、維修質(zhì)量可靠，而且成本低廉。據(jù)報(bào)道，若大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠接修補(bǔ)技術(shù)，波音787的外場維護(hù)間隔時(shí)間將有望從同類波音767飛機(jī)的500小時(shí)提高到1000小時(shí)，維修費(fèi)用則比同類波音777飛機(jī)低32％。

第六，鋁、鈦等合金通過冶金手段加入碳化硅短纖維、氧化鋁粒子等增強(qiáng)劑后，在比強(qiáng)度、耐高溫、耐疲勞、抗紫外輻射等性能方面與未強(qiáng)化前的合金相比，都有顯著的改進(jìn)。

最后，陶瓷基復(fù)合材料以及碳／碳復(fù)合材料具有良好的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，非常適合于制作某些耐高溫的發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

現(xiàn)代飛機(jī)使用了哪些復(fù)合材料

目前飛機(jī)上使用的復(fù)合材料一般以纖維增強(qiáng)樹脂為主。嚴(yán)格地講，樹脂其實(shí)也屬于塑料，常用的主要包括環(huán)氧樹脂、聚酯、乙烯酯、酚醛和聚酰亞胺樹脂等。雖然這些樹脂低密度的特點(diǎn)符合飛機(jī)設(shè)計(jì)“斤斤計(jì)較”的要求，但是其強(qiáng)度較低，于是研究人員通過加入各種纖維來增加材料的強(qiáng)度。這些增強(qiáng)纖維主要有碳纖維、硼纖維、玻璃纖維和芳綸纖維等。

除了纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料以外，近20年來，以鋁、鈦及鎂等為基體的復(fù)合材料在航空領(lǐng)域內(nèi)也取得了重大突破，如以碳化硅短纖維、氧化鋁粒子增強(qiáng)的鋁、鈦合金為基體的復(fù)合材料。這類材料與未強(qiáng)化合金相比，在比強(qiáng)度和比剛度、耐高溫、耐疲勞、抗震動(dòng)、耐紫外線輻射、可加工性等性能方面都有大幅度的提高。

陶瓷基復(fù)合材料以及碳／碳復(fù)合材料也是近年來出現(xiàn)的可用作耐高溫發(fā)動(dòng)機(jī)部件的兩類新型復(fù)合材料。目前用的最多的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品是以碳化硅或碳纖維增強(qiáng)的氧化物或氮化物基體材料，可用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室、燃燒室瓦片、噴嘴、火焰穩(wěn)定器等，以代替高溫合金。這種陶瓷基復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度高，斷裂韌性高，比重小，抗氧化，耐高溫，熱膨脹系數(shù)較小，工作溫度在1250℃－1650℃。與此類似，碳／碳復(fù)合材料的耐熱性也很好，能耐1650℃以上的高溫，它具有密度小、強(qiáng)度高、模量高、導(dǎo)熱性優(yōu)良、膨脹率低以及抗蠕變和抗熱沖擊性等優(yōu)點(diǎn)，已開始應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管喉襯、隔熱瓦片和飛機(jī)剎車塊等部位。

值得一提的是，一種近來出現(xiàn)的被稱作“Glare層板”的新型復(fù)合材料。這種材料具有三明治結(jié)構(gòu)。外層通常是由鋁合金板組成，鋁合金板中間夾有芳綸或玻璃等加強(qiáng)纖維。這種Glare層板具有復(fù)合材料高強(qiáng)低密的特點(diǎn)，又兼有鋁合金的優(yōu)點(diǎn)——韌性和抗疲勞性能好。據(jù)報(bào)道，合理設(shè)計(jì)使用Glare層板可使飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重30％，而且經(jīng)濟(jì)效益更好，因此，A380客機(jī)上已大量應(yīng)用了這種Glare層板。

責(zé)任編輯趙菲