淺析復(fù)合材料在現(xiàn)代民航飛機(jī)上的應(yīng)用

周少棟

摘 要：復(fù)合材料于20世紀(jì)60年代發(fā)展起初，還只限于軍用機(jī)的使用，隨著復(fù)合材料的技術(shù)日益發(fā)展和廣泛推廣，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也逐漸在民用航空器上應(yīng)用的越來越多，復(fù)合材料的維修成了民用航空器結(jié)構(gòu)修理實(shí)踐的需要。本片論文主要是對(duì)目前先進(jìn)復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)外的民航飛機(jī)上的應(yīng)用情況進(jìn)行了大致的介紹，并且簡(jiǎn)要的介紹了復(fù)合材料在現(xiàn)代飛機(jī)上的應(yīng)用，對(duì)我們了解和學(xué)習(xí)復(fù)合材料的應(yīng)用也是非常重要的。

關(guān)鍵詞：復(fù)合 材料 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TB333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（b）-0090-02

1 復(fù)合材料的發(fā)展簡(jiǎn)介

首先了解什么是復(fù)合材料，這個(gè)使我們對(duì)復(fù)合材料有進(jìn)一步的了解，通常認(rèn)為飛機(jī)由2種或者2種以上的材料組成，但是從基本特性上任然保持原有的物理和化學(xué)特性，在兩者之間有明顯的界面材料，以此我們稱之為符合材料，早期使用的復(fù)合材料用在蓋房子等日常生活中，而近代復(fù)合材料用在玻璃鋼為代表的，即以玻璃纖維增強(qiáng)樹脂用作結(jié)構(gòu)材料，并于20世紀(jì)用于美國(guó)“蚊5”等飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的制造上。但因玻璃鋼自身固有的弱點(diǎn)，不能用于主承力結(jié)構(gòu)，直到出現(xiàn)所謂的先進(jìn)復(fù)合材料后，其研究和應(yīng)用才有了劃時(shí)代的發(fā)展?？捎糜谥鞒辛Y(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)、剛度和強(qiáng)度性能相當(dāng)于或超過鋁合金的復(fù)合材料稱為先進(jìn)復(fù)合材料（advanced composites）主要指由有較高強(qiáng)度和模量的硼纖維、碳纖維和芳綸（凱芙拉）等增強(qiáng)的復(fù)合材料，其中應(yīng)用最廣的則是碳纖維復(fù)合材料。

2 復(fù)合材料的種類特點(diǎn)

2.1 復(fù)合材料的種類及說明

復(fù)合材料的分類很多，可以從圖中看出，可以按照多種不同的分類方式來進(jìn)行區(qū)分，大致可以分為分散相材料形狀分，纖維長(zhǎng)短分，基體材料分，應(yīng)用情況分，結(jié)構(gòu)形式分。（見表1）

2.2 復(fù)合材料的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)材料相比復(fù)合材料有下述特點(diǎn)。

（1）可設(shè)計(jì)性：從材料的可設(shè)計(jì)性上來分析復(fù)合材料也是我們民用航空器重要的出發(fā)點(diǎn)之一，傳統(tǒng)的材料隨著周邊環(huán)境的影響變化非常大，比如溫度，當(dāng)溫度變化時(shí)，傳統(tǒng)的材料會(huì)受溫度的變化，產(chǎn)生體積變形等問題，而對(duì)于復(fù)合材料因?yàn)樗哂袃煞N或者兩種以上的材料，可以進(jìn)行相互補(bǔ)償?shù)淖饔茫瑢?duì)溫度的變化自然就比傳統(tǒng)的材料好的多，復(fù)合材料從力學(xué)，電腐蝕，抗老化等各個(gè)方面都有較高的性能。我們可以使用復(fù)合材料做成飛機(jī)各個(gè)結(jié)構(gòu)上的形狀，便于維護(hù)和施工，從這個(gè)方面上來講，對(duì)我們航線維護(hù)和定檢維護(hù)獲得了很大的好處。

（2）材料與結(jié)構(gòu)的同一性：復(fù)合材料通過加工其結(jié)構(gòu)性質(zhì)任然可以完整的保留，這一個(gè)特點(diǎn)對(duì)航空結(jié)構(gòu)飛機(jī)非常重要，在現(xiàn)在的民航客機(jī)中，由于多種材料連接，而造成的腐蝕明顯增多，對(duì)于一些采用了復(fù)合材料的情況，就可以明顯減少由于化學(xué)電位差的不同造成點(diǎn)位腐蝕等情況明顯的減少，通過這個(gè)特性可以發(fā)現(xiàn)我們現(xiàn)在所使用的復(fù)合材料大大保持了材料與結(jié)構(gòu)的同一性這個(gè)優(yōu)勢(shì)。

2.3 復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的材料相比，復(fù)合材料在性能上有下述幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（1）比強(qiáng)度、比模量大。拉伸強(qiáng)度與密度之比成為比強(qiáng)度；彈性模量與密度之比成為比模量。在多數(shù)狀態(tài)下，這兩個(gè)比值是度量材料承載能力的一個(gè)極重要的指標(biāo)。復(fù)合材料與金屬材料相比，具有高的比強(qiáng)度和比模量。例如，鋁合金比強(qiáng)度和比模量分別是0.17和0.26，而碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量分別是0.63和1.50。

（2）復(fù)合材料的耐疲勞性能好。復(fù)合材料的抗疲勞性能比金屬材料的抗疲勞性能優(yōu)越。例如，一般金屬材料的疲勞極限是拉伸強(qiáng)度的45%～50%，而碳纖維/聚酯樹脂復(fù)合材料的疲勞極限可達(dá)抗拉伸強(qiáng)度的70%～80%。

（3）復(fù)合材料具有脆性材料的特性。在到達(dá)失效點(diǎn)之前，他們的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是線性的。

3 復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用

眾所周知波音和空客是當(dāng)今世界上兩大民用飛機(jī)制造商，其同期產(chǎn)品波音787和A380上應(yīng)用的復(fù)合材料是當(dāng)今世界民用大飛機(jī)復(fù)合材料領(lǐng)域中的先進(jìn)材料。

3.1 波音公司大型民用飛機(jī)的復(fù)合材料用量情況

波音公司復(fù)合材料技術(shù)的應(yīng)用也經(jīng)歷了從次承力構(gòu)件向主承力構(gòu)件過渡的過程。B757飛機(jī)上復(fù)合材料的總用量達(dá)到了2t，約占結(jié)構(gòu)重量的2.5%；B777飛機(jī)共用復(fù)合材料9.9t，約占結(jié)構(gòu)重量的11%；B787的復(fù)合材料用量創(chuàng)歷史最高記錄達(dá)到 50%，鋁合金用量只占20%。上述占比都指重量百分比，由于復(fù)合材料密度小，如果按體積百分比計(jì)算，這個(gè)數(shù)據(jù)就更懸殊了。環(huán)氧樹脂與石墨成為787客機(jī)主要復(fù)合材料，機(jī)體主要復(fù)合材料為強(qiáng)化環(huán)氧樹脂與石墨的化合物。機(jī)翼部分的復(fù)合材料還將包括鈦和金的化合物。新型的復(fù)合材料使飛機(jī)更耐用，同時(shí)降低了維修要求，增加了未來發(fā)展的潛力。復(fù)合材料的使用提高燃油效率20%（其中12%的貢獻(xiàn)來自于大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)），B787飛機(jī)的復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的50%，其中碳纖維復(fù)合材料為45%，玻璃纖維復(fù)合材料為5%。波音B787飛機(jī)主結(jié)構(gòu)的50%采用了復(fù)合材料，它包括整個(gè)機(jī)身尾段，機(jī)身和機(jī)翼的一些主要部件；鈦和鋼占到了B787材料總量的25%，用在機(jī)翼的某些部件、起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)掛件等部位；傳統(tǒng)的鋁材占了25%；而塑料、橡膠和其他材料占了5%。它是世界上第一個(gè)采用復(fù)合材料機(jī)翼和機(jī)身的大型商用客機(jī)，其復(fù)合材料應(yīng)用廣度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過B777。波音公司在以后生產(chǎn)的飛機(jī)上將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大復(fù)合材料的使用比例。

3.2 空客公司大型民用飛機(jī)的復(fù)合材料用量情況

空客公司也一直注重復(fù)合材料的研究與應(yīng)用，空客系列飛機(jī)復(fù)合材料所占結(jié)構(gòu)重量比例也在不斷上升。其主要應(yīng)用部位包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、機(jī)身、地板梁、后承壓框等?？湛妥?0年代中期開始研究復(fù)合材料，1983年生產(chǎn)A300、A310的復(fù)合材料方向舵，重量減輕20%；1978年開始研制A310、A320的垂尾，1995年完成，減重20%；此后在A320、A322、A330、A340等機(jī)型中復(fù)合材料用量達(dá)結(jié)構(gòu)總重的15%左右，A340-500和A340-600還應(yīng)用了熱塑性復(fù)合材料機(jī)翼前緣。由于復(fù)合材料在A320、A340等飛機(jī)上的成功應(yīng)用以及復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制造和檢查維修等技術(shù)的日漸成熟，復(fù)合材料在A380結(jié)構(gòu)上的大量應(yīng)用是一種必然。

4 討論與總結(jié)

隨著科技的不斷進(jìn)步和民航事業(yè)不斷的發(fā)展，新型的復(fù)合材料將被廣泛的應(yīng)用到我國(guó)民航飛機(jī)中去。復(fù)合材料固有的缺點(diǎn)也將因技術(shù)的發(fā)展而不斷消除，通過控制冷卻速度等來控制金屬基體的性質(zhì)，從而讓金屬基復(fù)合材料的性能得到進(jìn)一步提高，相信在不久的將來復(fù)合材料將在我國(guó)生產(chǎn)的打飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] Boeing737-600/700/800/900 AMM，Part I，SDS D633A101-BEJ. 2014-02-15.

[2] Boeing Fleet Team Digest 737NG-FTD-30-01005.

[3] Boeing Fleet Team Digest 737NG-FTD-30-06001.

[4] Boeing 737 DDG D6-32545-TBC. 2012-11-30.