淺析航空復(fù)合材料應(yīng)用及發(fā)展

趙子瑄

（遼寧科技大學(xué)，遼寧 營(yíng)口 151000）

1 復(fù)合材料現(xiàn)狀

復(fù)合材料是由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，用來承受載荷的相稱為增強(qiáng)體，將增強(qiáng)材料粘接在一起、在纖維之間傳遞載荷的相稱為基體。復(fù)合材料在性能上不僅保留了組成它的各個(gè)組分的優(yōu)點(diǎn)，更為重要的是它的性能比構(gòu)成它的單一的材料更為優(yōu)異。

復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用也是近幾十年的事，但它的發(fā)展可以說并不是很慢，自從各種復(fù)合材料被發(fā)現(xiàn)以來，人們便發(fā)現(xiàn)了它所存在的各種優(yōu)勢(shì)，因此把它運(yùn)用到飛機(jī)行業(yè)也就勢(shì)在必行，尤其是在各種不同性質(zhì)的復(fù)合材料出現(xiàn)以后，如何靈活的應(yīng)用各種復(fù)合材料到飛機(jī)的各個(gè)部分使其為整體的飛機(jī)服務(wù)便成為了設(shè)計(jì)師們研究的重點(diǎn)所在。

復(fù)合材料應(yīng)用于航空之中主要經(jīng)過了四個(gè)階段，這四個(gè)階段中復(fù)合材料在飛機(jī)等航空運(yùn)輸機(jī)上的運(yùn)用都是由承受力較小并且作用也不是很大的部分逐漸變得極為重要并且承受力也逐步增大，直到現(xiàn)在的差不多能占到飛機(jī)整體的一半以上，可見現(xiàn)在復(fù)合材料的應(yīng)用是多么的廣泛。作為評(píng)價(jià)飛機(jī)先進(jìn)性和安全性、舒適性的重要指標(biāo)，復(fù)合材料的應(yīng)用正在逐步得到越來越多的重視，這也比將在今后的復(fù)合材料的應(yīng)用中得到體現(xiàn)。

2 航空復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展總體情況分析

2.1 層合結(jié)構(gòu)

層合板亦稱層壓板、疊層板或?qū)嵭膶訅喊?、整體層壓板。層合板可制成多種結(jié)構(gòu)形式，并可采用多種工藝方法成形，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，因此在航空航天飛行器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分普遍。層合板是層合結(jié)構(gòu)的基本元素。層合結(jié)構(gòu)系指經(jīng)過適當(dāng)?shù)闹圃旃に?，如共固化、二次膠接、機(jī)械連接等，主要由層合板形成的具有獨(dú)立功能的較大的三維結(jié)構(gòu)，如翼面結(jié)構(gòu)的梁、肋、壁板、盒段，機(jī)身側(cè)壁以及飛行器部件等。

2.2 蜂窩夾層膠接結(jié)構(gòu)

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子膠接而成。一般面板采用強(qiáng)度和剛度比較高的材料，芯子采用密度比較小的材料，如蜂窩芯、泡沫芯、波紋板芯等。夾層結(jié)構(gòu)具有重量輕，彎曲剛度及強(qiáng)度大，抗失穩(wěn)能力強(qiáng)，耐疲勞，吸音，隔熱等優(yōu)點(diǎn)，因此在飛行器結(jié)構(gòu)上得到了廣泛應(yīng)用。

2.3 金屬復(fù)合層膠接結(jié)構(gòu)

利用膠接技術(shù)將纖維復(fù)合材料與鋁合金材料結(jié)合起來形成一種新型的結(jié)構(gòu)材料—纖維鋁合金復(fù)合層板膠接結(jié)構(gòu)。目前這種結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上的應(yīng)用還不是很多。不久的將來，鋁基復(fù)合材料可能得到較廣的應(yīng)用。國(guó)外目前復(fù)合材料在軍機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)上的用量早已達(dá)到或超過50%；現(xiàn)今在大型客機(jī)上的用量也超過了50%。在通用航空領(lǐng)域許多小飛機(jī)的復(fù)合材料用量更高，甚至達(dá)到了結(jié)構(gòu)重量的90%?？梢钥闯鰪?fù)合材料的應(yīng)用已經(jīng)成為民用飛機(jī)實(shí)現(xiàn)其先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性的重要技術(shù)途徑之一。

在過去幾十年內(nèi)，民機(jī)復(fù)合材料用量正顯著增加。上世紀(jì)七十年代及八十年代初，雷達(dá)罩、機(jī)身整流罩、內(nèi)裝飾結(jié)構(gòu)、控制面板等應(yīng)用了復(fù)合材料，占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的1～3%。隨著復(fù)合材料工業(yè)的成熟以及成本降低，新一代A320、波音777 等飛機(jī)復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的10～15%。新研制出的A380 約結(jié)構(gòu)重量的1/4 是復(fù)合材料，單機(jī)復(fù)合材料有30 噸。復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量50%的波音787 飛機(jī)更加具有革命性，其典型特征是全復(fù)合材料的機(jī)身，并在機(jī)翼、短艙及內(nèi)裝飾應(yīng)用了大量復(fù)合材料。受波音787 的推動(dòng)，A350XWB 復(fù)合材料將增加到53%；A400M 軍用運(yùn)輸機(jī)復(fù)合材料約占結(jié)構(gòu)件重量40%。

此外，空客及波音公司都將在窄機(jī)身飛機(jī)上明顯擴(kuò)大復(fù)合材料的應(yīng)用，這些飛機(jī)將在幾十年內(nèi)最終取代目前廣泛使用的波音737 及A320 飛機(jī)。因窄機(jī)身飛機(jī)目前占全球運(yùn)輸機(jī)隊(duì)的70%，這將急劇加速對(duì)航空供應(yīng)鏈的沖擊。

2 復(fù)合材料的性能的優(yōu)勢(shì)

1）比強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度與密度之比）高、比模量（彈性模量與密度之比）高。

例如，高模量碳纖維復(fù)合材料的密度只有鋼的1/5、鋁的3/5，其比強(qiáng)度則為鋼的5倍、鋁的4倍、鈦合金的3.5倍以上；其比模量是鋼、鋁、鈦的4倍或更高（鋼、鋁、鈦是目前飛機(jī)的主要金屬材料）。

2）具有極好的抗疲勞性能

復(fù)合材料，特別是纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，由于纖維對(duì)制件表面的裂紋或類裂紋缺陷起到了橋接的作用，故阻止了裂紋的迅速擴(kuò)展，而且在拉伸時(shí)對(duì)疲勞裂紋的增長(zhǎng)也幾乎不敏感。例如，碳纖維增強(qiáng)聚酯樹脂復(fù)合材料疲勞極限可達(dá)抗拉強(qiáng)度的70%～80%，而金屬材料疲勞極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個(gè)數(shù)值，對(duì)于20～30年使用壽命的飛機(jī)，該復(fù)合材料對(duì)疲勞幾乎不敏感。

3）斷裂安全性好

纖維復(fù)合材料中大量獨(dú)立存在的纖維通過具有韌性的基體把它們粘合成整體，當(dāng)構(gòu)件中有少數(shù)纖維斷裂時(shí)，其它完好的纖維就會(huì)將承載接受下來并重新進(jìn)行分配，因而構(gòu)件不至于在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷裂，故斷裂安全性好。

4）高溫性能好

纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，特別是金屬基復(fù)合材料，一般均具有較好的耐高溫性能。例如，石英玻璃纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在500℃下能保持室溫強(qiáng)度的40%；涂復(fù)了SiC 的硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可放心地在316℃溫度下使用，力學(xué)性能保持穩(wěn)定。但一般鋁合金在400℃時(shí)彈性模量大幅度下降（接近于零），而且強(qiáng)度也顯著下降。

5）具有很好的減振性能

由于復(fù)合材料的比模量高，其自振頻率也高，這是因?yàn)槭芰Y(jié)構(gòu)的自振頻率與其結(jié)構(gòu)材料比模量的平方根成正比，高的自振頻率決定了復(fù)合材料有很強(qiáng)的吸振能力，可以避免構(gòu)件在一般工作狀態(tài)下發(fā)生共振，不易造成振動(dòng)破壞。同時(shí)，復(fù)合材料中高韌性的基體材料也具有顯著的震動(dòng)阻尼特性。

6）增加飛機(jī)防腐蝕能力

復(fù)合材料較之金屬和非金屬常規(guī)材料具有更為優(yōu)異的抗腐蝕性，能夠?yàn)檠娱L(zhǎng)飛機(jī)的使用壽命、減少民航開支、提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

飛機(jī)的絕大部分結(jié)構(gòu)將采用復(fù)合材料的這一預(yù)言已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，人們期待著復(fù)合材料在飛機(jī)上更廣闊的應(yīng)用前景，甚至全復(fù)合材料飛機(jī)的出現(xiàn)。近年來，我國(guó)的復(fù)合材料技術(shù)得到了迅速發(fā)展，開始朝著實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)一體化方向發(fā)展。借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)加速我國(guó)的復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展、擴(kuò)大復(fù)合材料的應(yīng)用具有重要意義。

［1］李映紅，趙智姝，韓勐.復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的廣泛應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2011，4：138-140.

［2］陳紹杰.大型飛機(jī)與復(fù)合材料[J].航空制造技術(shù)，2008，15：31-37.

［3］鄒田春，馮振宇，陳兆晨，楊倩.民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航審定現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào)：期刊論文，2010，21：34-35.

［4］吳志恩.飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的防雷擊保護(hù)[J].航空制造技術(shù)，2011，15：56-58.