航空復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展簡析

王迅

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

【關(guān)鍵詞】航空；復(fù)合材料；技術(shù)

航空復(fù)合材料，即材料體系應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)，技術(shù)上不光研究材料本身構(gòu)造，更要研究材料低成本的生產(chǎn)工藝和高性能的航空適用性，所以航空復(fù)合材料技術(shù)必須考慮到材料的維修和質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)。航空復(fù)合材料技術(shù)中經(jīng)常會牽涉到防雷擊問題、環(huán)境污染問題或使用安全問題，這些問題與材料設(shè)計(jì)密切關(guān)聯(lián)。航空復(fù)合材料技術(shù)必須發(fā)展力學(xué)性能的表現(xiàn)手法和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，材料在設(shè)計(jì)構(gòu)造和制作工藝上必須與使用功能相匹配。

一、航空復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展回顧

上世紀(jì)七十年代美國NASA技術(shù)就帶領(lǐng)民用航空機(jī)發(fā)展了先進(jìn)的航空復(fù)合材料，為美國民用航空機(jī)啟用復(fù)合材料提供了巨大的技術(shù)支持。而后NASA又提出了ACEE計(jì)劃，擴(kuò)展復(fù)合材料在航空事業(yè)中的應(yīng)用空間，由Boeing、Douglas、Lockheed負(fù)責(zé)多個(gè)研究項(xiàng)目，致力于民用機(jī)尾翼、機(jī)翼和主體部分的材料設(shè)計(jì)和塑造，并建立了專業(yè)的材料屬性審評體系。當(dāng)時(shí)這三個(gè)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(jī)復(fù)合材料的次結(jié)構(gòu)技術(shù)。

此階段復(fù)合材料技術(shù)在研究機(jī)身和機(jī)翼的主體結(jié)構(gòu)上也投入很大心力，曾嘗試?yán)脴渲g性改善材料的損傷容限，期望生產(chǎn)一個(gè)成本上符合實(shí)際情況的機(jī)身構(gòu)造部件，而結(jié)果卻以失敗告終。后來NASA聯(lián)合制造工業(yè)繼續(xù)研發(fā)民用航空機(jī)身和機(jī)翼的主體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，主要從降低材料損傷容限和制造成本這兩個(gè)方面入手，計(jì)劃利用紡織工業(yè)生產(chǎn)操作手法提高復(fù)合材料厚度。經(jīng)過長期實(shí)踐發(fā)展，航空復(fù)合材料機(jī)身和機(jī)翼結(jié)構(gòu)的研制計(jì)劃正式步入正軌，得出一個(gè)基本結(jié)論：紡織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料技術(shù)非常適用于復(fù)合載荷機(jī)身框架和窗艙框架加設(shè)筋板。

McDonnell Douglas公司推出的具備強(qiáng)大競爭力的機(jī)翼復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)，證明實(shí)現(xiàn)機(jī)翼縫合技術(shù)已經(jīng)有了基本條件。最佳的紡織業(yè)操作手法是融入樹脂膜滲透模塑的碳纖維織物縫合技術(shù)。航空復(fù)合材料的紡織結(jié)構(gòu)不適合機(jī)體結(jié)構(gòu)中的大平面結(jié)構(gòu)，只能用于機(jī)體特定部位，如有固定損傷容限且柔韌性較好的有強(qiáng)化要求的元件，一些彎曲部位的機(jī)身框架和艙窗間加筋板。

二、航空復(fù)合材料技術(shù)新氣象

根據(jù)美國政府已經(jīng)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(yè)和制造工業(yè)在先進(jìn)材料的應(yīng)用準(zhǔn)則上已經(jīng)發(fā)生了重大變化，進(jìn)一步強(qiáng)化航空事業(yè)在飛機(jī)制造業(yè)中關(guān)于制造成本的降低要求。民用航空復(fù)合材料應(yīng)用準(zhǔn)則上要求的成本降低事項(xiàng)可以有一個(gè)緩沖過渡期，并不是強(qiáng)制性革命性瞬間整改。復(fù)合材料的研制技術(shù)在內(nèi)容上也有了新的變動(dòng)。

眼下民用航空機(jī)在新復(fù)合材料使用上重點(diǎn)追求成本的降低，綜合體現(xiàn)在設(shè)計(jì)成本和制作成本上，同時(shí)要求進(jìn)一步提高材料的可維護(hù)性。根據(jù)這一基本目標(biāo)，研究者從增韌熱固性聚合物和高性能熱塑性材料上重點(diǎn)展開探索。以往復(fù)合材料有關(guān)韌性方面的研究基本聚焦在發(fā)生沖擊后機(jī)體結(jié)構(gòu)的損傷容限的評估上，近期發(fā)展出額外的機(jī)體組件的抗損傷能力研究，觀察損傷事件對結(jié)構(gòu)性能的影響。即使目前復(fù)合材料已經(jīng)能夠很好地應(yīng)用增韌體系，但是增韌體系成本一直是業(yè)界的一大痛點(diǎn)，苦于一直研發(fā)不出新的工藝技術(shù)，纖維束鋪設(shè)、樹脂傳遞塑模和樹脂膜滲透難以有最佳契合度。

三、航空復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展趨勢

航空復(fù)合材料在市場上的受歡迎度一直處于平穩(wěn)狀態(tài)，這個(gè)現(xiàn)象多半源于材料自身的成本問題。實(shí)際上航空復(fù)合材料成本在復(fù)合材料組件的總成本中占比還不到百分之十，因?yàn)榭偝杀鞠戎凶罡叩倪€是加工成本。以往復(fù)合材料屬性功能是推動(dòng)技術(shù)研究的核心動(dòng)力，而當(dāng)下材料成本卻成為研究過程的最大問題。所以現(xiàn)在航空復(fù)合材料技術(shù)每研發(fā)一個(gè)新工藝，其核心目標(biāo)總離不開低成本的原則框架，可見不久的未來，航空復(fù)合材料技術(shù)還要在成本限制中度過很長一段時(shí)間。

推動(dòng)民用航空事業(yè)使用新型材料的因素使得航空復(fù)合材料技術(shù)在設(shè)計(jì)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(hù)性。復(fù)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(chǎn)工藝更為協(xié)調(diào)，有望進(jìn)一步推動(dòng)新型復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)材料簡化、耐用且成本低提供了更大的可能性。同時(shí)材料優(yōu)化方面將基于應(yīng)用準(zhǔn)則進(jìn)一步提高大小尺寸機(jī)組元件的平衡技術(shù)。

四、結(jié)語

上述內(nèi)容從國外航空復(fù)合材料技術(shù)的應(yīng)用歷史展開闡述，主要對復(fù)合材料的概念、優(yōu)越性以及涉及到的問題進(jìn)行了簡要介紹，對航空復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的過程進(jìn)行全面分析，并對航空復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和方向做了相應(yīng)的探究?？偟膩碚f，具有質(zhì)量小，強(qiáng)度高和性能強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用還有很大的發(fā)展前景。但在前景開發(fā)的路上，還有成本、可維護(hù)性、增韌體系等等諸多問題需要解決。為了多方位復(fù)合技術(shù)的發(fā)展和航空技術(shù)的自我超越，必須重視復(fù)合材料的重要性。

總而言之，航空復(fù)合材料在擴(kuò)大機(jī)身主體結(jié)構(gòu)應(yīng)用上仍舊是材料結(jié)構(gòu)研發(fā)重點(diǎn)。因?yàn)檫@是飛機(jī)飛行中實(shí)現(xiàn)減重，提高飛行穩(wěn)定性的最佳途徑。

參考文獻(xiàn)

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