先進復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

吳琨

摘要：隨著我國對飛機結(jié)構(gòu)研發(fā)的重視，復(fù)合材料以比強度高、比模量大、可設(shè)計性強、抗疲勞性能等優(yōu)勢被運用到飛機結(jié)構(gòu)當(dāng)中，研發(fā)人員不斷發(fā)掘先進復(fù)合材料的潛力，提升復(fù)合材料的耐高溫性能和耐疲勞性能，以強化飛機材料結(jié)構(gòu)。本文闡述了先進復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用以及效益情況，期望能夠闡明先進復(fù)合材料的發(fā)展新趨勢。

關(guān)鍵詞：先進復(fù)合材料;飛機結(jié)構(gòu);應(yīng)用實踐

引言：我國的飛機結(jié)構(gòu)在20世紀70年代左右就開始應(yīng)用復(fù)合材料，隨著復(fù)合材料不斷使用，促使復(fù)合材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模越來越大，復(fù)合材料逐漸成為穩(wěn)定成熟的飛機制作材料，現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的用量也越來越大，從最初在受力較小的構(gòu)件上使用復(fù)合材料，發(fā)展到現(xiàn)在機翼、機身等受力較大的位置廣泛使用復(fù)合材料。

1概述

1.1 先進復(fù)合材料概念

先進復(fù)合材料（Advanced Composite Materials，簡稱ACM） 是指用高性能碳纖維作為增強相，以先進樹脂作為基體材料的材料，該類材料比強度高、比模量大，被運用到主承力結(jié)構(gòu)或者是次承力結(jié)構(gòu)當(dāng)中。從材料特性上來看，先進復(fù)合材料材料的重量較輕，強度高，具備較好的抗熱和抗腐蝕性能，并以其優(yōu)異的性能成為繼鋁合金、鋼、鈦合金之后的第四大航空結(jié)構(gòu)材料，日益廣泛地應(yīng)用于航空航天等現(xiàn)代高科技領(lǐng)域。

從用途角度可以將先進復(fù)合材料劃分為兩種類型：1）結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其主要是被運用到飛機結(jié)構(gòu)當(dāng)中，該種類型的復(fù)合材料具備較為優(yōu)異的力學(xué)特性;2）功能復(fù)合材料，該類材料主要用于光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)以及熱、磁等領(lǐng)域，具備如吸波、透波、隔熱、導(dǎo)電、摩擦、阻燃等功能，具有較好的發(fā)展前景。

1.2 復(fù)合材料的優(yōu)勢

1.輕質(zhì)化。在航空領(lǐng)域中飛機結(jié)構(gòu)減重尤為重要，碳纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)解決了這個難題，使用碳纖復(fù)合材料有助于減輕機體的重量，在飛機結(jié)構(gòu)上每使用1公斤的碳纖維復(fù)合材料，就會減輕五百公斤的質(zhì)量，復(fù)合材料的應(yīng)用可使飛機結(jié)構(gòu)減重10%-40%，這對于飛機結(jié)構(gòu)飛向更高的空域提供了可能，而且可以大大的減少飛行中的燃料消耗。

2.高強度。復(fù)合材料的強度是鋼材強度的五倍，是鋁合金的四倍。

3.抗高溫性。能在飛機飛行初期，有較強的初速度，在較強初速的影響下會產(chǎn)生空氣摩擦，所以要求飛機必須具有抗髙溫的外層保護。復(fù)合材料出色的耐熱性可以承受兩千攝氏度以上的高溫，減少高熱帶來的沖擊，可以對航天航空飛行器的外圍起到保護作用。在航天飛機進入對流層時由于氣溫下降，受熱脹冷縮的影響較大，這會大大影響航天飛機的零件，而碳纖維復(fù)合材料有較好的低熱膨脹性能，在零部件外層涂抹會減輕零部件的變形。

4.抗腐蝕性能。飛行器在高空中飛行時，由于環(huán)境復(fù)雜，受腐蝕和輻射性加強，碳纖維復(fù)合材料在抗腐蝕與輻射上具有很好地性能，大大的保護了飛行的安全，延長了飛機的使用壽命。環(huán)境優(yōu)化復(fù)合材料的應(yīng)用可使飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計成本降低15%-30%，面對較高的燃油價格和越來越嚴格的污染物排放標準，復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用有效解決了當(dāng)前所面臨的高油價及環(huán)境污染嚴重的困擾。

2 先進復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用

先進復(fù)合材料具有重量輕、強度高的特點，且設(shè)計性好，能夠?qū)崿F(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計，被大量應(yīng)用到軍用飛機和民用飛機的結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

2.1先進復(fù)合材料在軍用飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

國外20世紀70年代初期將先進復(fù)合材料在軍用飛機，學(xué)者發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在受力方面性能優(yōu)異，認為該種材料的性能能夠滿足飛機艙門、方向舵以及襟副翼等結(jié)構(gòu)的設(shè)計。1971年，硼/環(huán)氧復(fù)合材料被運用到F-14飛機的平尾結(jié)構(gòu)當(dāng)中，標志著先進復(fù)合材料在軍用飛機結(jié)構(gòu)運用的又一次跨越。此后，在F-15、F-16等系列飛機中都采用了先進復(fù)合材料作為尾翼的次承力部件。20世紀80年代，學(xué)者們開始研究將先進復(fù)合材料運用到飛機垂尾以及平尾等設(shè)計當(dāng)中，將其作為次承力部件。從1976年以后，美國公司在F/A-18飛機的機翼中成功使用了復(fù)合材料，該研究成果標志著先進復(fù)合材料在軍用飛機中應(yīng)用的又一進步，先進復(fù)合材料開始被運用到機身結(jié)構(gòu)和機翼結(jié)構(gòu)等主承力結(jié)構(gòu)當(dāng)中，其具備較強的受力能力，且受力規(guī)模也比較大。圖1為先進復(fù)合材料在軍用飛機的使用比例。如今，世界各國的軍用飛機結(jié)構(gòu)中都采用了先進復(fù)合材料，其用量已經(jīng)占據(jù)了整個軍用飛機質(zhì)量的20%-50%。

2.2 先進復(fù)合材料在民用飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

復(fù)合材料在民用飛機的應(yīng)用始于20世紀40年代初，英國首先利用GFRP透波性好的特點來制造機載雷達罩。事實上，先進復(fù)合材料在民用飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也經(jīng)歷了四個階段：第一階段應(yīng)用到受力比較小的飛機前緣、整流罩等部位;第二階段是用到方向舵以及升降舵等部件的構(gòu)造當(dāng)中;第三階段是用到客機垂尾部位等次承力部位;第四階段則用到機翼以及機身等主承力部位。近年來，受殘酷的競爭因素驅(qū)動，在民用飛機機體結(jié)構(gòu)當(dāng)中，先進復(fù)合材料被視為實現(xiàn)新飛機機體減重及降低直接運營成本的有效途徑，其用量如圖2所示，先進復(fù)合材料在民用飛機結(jié)構(gòu)中的運用量已經(jīng)上升到了40-50%。

3 先進復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中應(yīng)用效益分析

先進復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)當(dāng)中具備較為明顯的減重效益和功能效益，如碳纖維復(fù)合材料，其密度僅1.6g/cm3，而在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用碳纖維復(fù)合材料來替代合金材料，同等規(guī)格的飛機在理論上可以降低42%的重量，該種效益對于飛機設(shè)計來講是任何其他設(shè)計理念或者是生產(chǎn)技術(shù)都無法達到的效果。軍用飛機中采用先進復(fù)合材料能夠讓飛機的重量大幅度減少，同時先進復(fù)合材料還具有吸波和透波等功能，可有效延長作戰(zhàn)半徑和提高生存能力;而在民用飛機結(jié)構(gòu)中采用先進復(fù)合材料可減輕機體重量，提高航程，降低油耗，能夠為航空公司帶來更高的經(jīng)濟收益。此外，由于復(fù)合材料可設(shè)計性強，為飛機結(jié)構(gòu)的設(shè)計開拓了新思路，如利用先進復(fù)合材料達到抗震、抗腐蝕以及抗疲勞等效果，充分發(fā)揮出先進復(fù)合材料的優(yōu)異功能，最大限度提升飛機的使用效能。

結(jié)束語

先進復(fù)合材料的前景是廣闊的，隨著復(fù)合材料技術(shù)的迅速發(fā)展， 在飛機上的應(yīng)用也將與日俱增，隨著復(fù)合材料技術(shù)已趨成熟，經(jīng)驗在不斷積累，由于復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強、性能可剪裁等諸多優(yōu)點，在航空航天領(lǐng)域仍具有持續(xù)發(fā)展的潛力。目前，我國正在大力發(fā)展軍用飛機和民用飛機等項目，急需先進復(fù)合材料，雖然我國復(fù)合材料逐漸形成體系，已經(jīng)滿足了部分型號的技術(shù)要求，但總體上與發(fā)達國家還有一定的差距，需加大先進復(fù)合材料的研制和創(chuàng)新，從而增強我國在世界航空工業(yè)的競爭力。

參考文獻

[1]宋吉.基于高分子復(fù)合材料的飛機結(jié)構(gòu)件研究進展[J].塑料工業(yè)，2018，46（10）：24-28.