浅析航空复合材料应用及发展

赵子瑄

（辽宁科技大学，辽宁 营口 151000）

1 复合材料现状

复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，用来承受载荷的相称为增强体，将增强材料粘接在一起、在纤维之间传递载荷的相称为基体。复合材料在性能上不仅保留了组成它的各个组分的优点，更为重要的是它的性能比构成它的单一的材料更为优异。

复合材料在航空中的应用也是近几十年的事，但它的发展可以说并不是很慢，自从各种复合材料被发现以来，人们便发现了它所存在的各种优势，因此把它运用到飞机行业也就势在必行，尤其是在各种不同性质的复合材料出现以后，如何灵活的应用各种复合材料到飞机的各个部分使其为整体的飞机服务便成为了设计师们研究的重点所在。

复合材料应用于航空之中主要经过了四个阶段，这四个阶段中复合材料在飞机等航空运输机上的运用都是由承受力较小并且作用也不是很大的部分逐渐变得极为重要并且承受力也逐步增大，直到现在的差不多能占到飞机整体的一半以上，可见现在复合材料的应用是多么的广泛。作为评价飞机先进性和安全性、舒适性的重要指标，复合材料的应用正在逐步得到越来越多的重视，这也比将在今后的复合材料的应用中得到体现。

2 航空复合材料应用发展总体情况分析

2.1 层合结构

层合板亦称层压板、叠层板或实心层压板、整体层压板。层合板可制成多种结构形式，并可采用多种工艺方法成形，可设计性强，因此在航空航天飞行器结构中应用十分普遍。层合板是层合结构的基本元素。层合结构系指经过适当的制造工艺，如共固化、二次胶接、机械连接等，主要由层合板形成的具有独立功能的较大的三维结构，如翼面结构的梁、肋、壁板、盒段，机身侧壁以及飞行器部件等。

2.2 蜂窝夹层胶接结构

蜂窝夹层结构通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子胶接而成。一般面板采用强度和刚度比较高的材料，芯子采用密度比较小的材料，如蜂窝芯、泡沫芯、波纹板芯等。夹层结构具有重量轻，弯曲刚度及强度大，抗失稳能力强，耐疲劳，吸音，隔热等优点，因此在飞行器结构上得到了广泛应用。

2.3 金属复合层胶接结构

利用胶接技术将纤维复合材料与铝合金材料结合起来形成一种新型的结构材料—纤维铝合金复合层板胶接结构。目前这种结构件在飞机上的应用还不是很多。不久的将来，铝基复合材料可能得到较广的应用。国外目前复合材料在军机、直升机、无人机上的用量早已达到或超过50%；现今在大型客机上的用量也超过了50%。在通用航空领域许多小飞机的复合材料用量更高，甚至达到了结构重量的90%。可以看出复合材料的应用已经成为民用飞机实现其先进性、经济性和舒适性的重要技术途径之一。

在过去几十年内，民机复合材料用量正显著增加。上世纪七十年代及八十年代初，雷达罩、机身整流罩、内装饰结构、控制面板等应用了复合材料，占飞机结构重量的1～3%。随着复合材料工业的成熟以及成本降低，新一代A320、波音777 等飞机复合材料用量占结构重量的10～15%。新研制出的A380 约结构重量的1/4 是复合材料，单机复合材料有30 吨。复合材料占结构重量50%的波音787 飞机更加具有革命性，其典型特征是全复合材料的机身，并在机翼、短舱及内装饰应用了大量复合材料。受波音787 的推动，A350XWB 复合材料将增加到53%；A400M 军用运输机复合材料约占结构件重量40%。

此外，空客及波音公司都将在窄机身飞机上明显扩大复合材料的应用，这些飞机将在几十年内最终取代目前广泛使用的波音737 及A320 飞机。因窄机身飞机目前占全球运输机队的70%，这将急剧加速对航空供应链的冲击。

2 复合材料的性能的优势

1）比强度（拉伸强度与密度之比）高、比模量（弹性模量与密度之比）高。

例如，高模量碳纤维复合材料的密度只有钢的1/5、铝的3/5，其比强度则为钢的5倍、铝的4倍、钛合金的3.5倍以上；其比模量是钢、铝、钛的4倍或更高（钢、铝、钛是目前飞机的主要金属材料）。

2）具有极好的抗疲劳性能

复合材料，特别是纤维增强树脂基复合材料，由于纤维对制件表面的裂纹或类裂纹缺陷起到了桥接的作用，故阻止了裂纹的迅速扩展，而且在拉伸时对疲劳裂纹的增长也几乎不敏感。例如，碳纤维增强聚酯树脂复合材料疲劳极限可达抗拉强度的70%～80%，而金属材料疲劳极限远远低于这个数值，对于20～30年使用寿命的飞机，该复合材料对疲劳几乎不敏感。

3）断裂安全性好

纤维复合材料中大量独立存在的纤维通过具有韧性的基体把它们粘合成整体，当构件中有少数纤维断裂时，其它完好的纤维就会将承载接受下来并重新进行分配，因而构件不至于在短时间内发生断裂，故断裂安全性好。

4）高温性能好

纤维增强的复合材料，特别是金属基复合材料，一般均具有较好的耐高温性能。例如，石英玻璃纤维增强铝基复合材料在500℃下能保持室温强度的40%；涂复了SiC 的硼纤维增强铝基复合材料可放心地在316℃温度下使用，力学性能保持稳定。但一般铝合金在400℃时弹性模量大幅度下降（接近于零），而且强度也显著下降。

5）具有很好的减振性能

由于复合材料的比模量高，其自振频率也高，这是因为受力结构的自振频率与其结构材料比模量的平方根成正比，高的自振频率决定了复合材料有很强的吸振能力，可以避免构件在一般工作状态下发生共振，不易造成振动破坏。同时，复合材料中高韧性的基体材料也具有显著的震动阻尼特性。

6）增加飞机防腐蚀能力

复合材料较之金属和非金属常规材料具有更为优异的抗腐蚀性，能够为延长飞机的使用寿命、减少民航开支、提高经济效益。

4 结束语

飞机的绝大部分结构将采用复合材料的这一预言已经实现，人们期待着复合材料在飞机上更广阔的应用前景，甚至全复合材料飞机的出现。近年来，我国的复合材料技术得到了迅速发展，开始朝着实现复合材料构件设计、制造、检测一体化方向发展。借鉴国外的先进技术和经验，对加速我国的复合材料技术的发展、扩大复合材料的应用具有重要意义。

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