浅析复合材料在现代民航飞机上的应用

周少栋

摘 要：复合材料于20世纪60年代发展起初，还只限于军用机的使用，随着复合材料的技术日益发展和广泛推广，复合材料结构也逐渐在民用航空器上应用的越来越多，复合材料的维修成了民用航空器结构修理实践的需要。本片论文主要是对目前先进复合材料在国内外的民航飞机上的应用情况进行了大致的介绍，并且简要的介绍了复合材料在现代飞机上的应用，对我们了解和学习复合材料的应用也是非常重要的。

关键词：复合 材料 应用

中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（b）-0090-02

1 復合材料的发展简介

首先了解什么是复合材料，这个使我们对复合材料有进一步的了解，通常认为飞机由2种或者2种以上的材料组成，但是从基本特性上任然保持原有的物理和化学特性，在两者之间有明显的界面材料，以此我们称之为符合材料，早期使用的复合材料用在盖房子等日常生活中，而近代复合材料用在玻璃钢为代表的，即以玻璃纤维增强树脂用作结构材料，并于20世纪用于美国“蚊5”等飞机机体结构的制造上。但因玻璃钢自身固有的弱点，不能用于主承力结构，直到出现所谓的先进复合材料后，其研究和应用才有了划时代的发展。可用于主承力结构和次承力结构、刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料称为先进复合材料（advanced composites）主要指由有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维和芳纶（凯芙拉）等增强的复合材料，其中应用最广的则是碳纤维复合材料。

2 复合材料的种类特点

2.1 复合材料的种类及说明

复合材料的分类很多，可以从图中看出，可以按照多种不同的分类方式来进行区分，大致可以分为分散相材料形状分，纤维长短分，基体材料分，应用情况分，结构形式分。（见表1）

2.2 复合材料的特点

与传统材料相比复合材料有下述特点。

（1）可设计性：从材料的可设计性上来分析复合材料也是我们民用航空器重要的出发点之一，传统的材料随着周边环境的影响变化非常大，比如温度，当温度变化时，传统的材料会受温度的变化，产生体积变形等问题，而对于复合材料因为他具有两种或者两种以上的材料，可以进行相互补偿的作用，对温度的变化自然就比传统的材料好的多，复合材料从力学，电腐蚀，抗老化等各个方面都有较高的性能。我们可以使用复合材料做成飞机各个结构上的形状，便于维护和施工，从这个方面上来讲，对我们航线维护和定检维护获得了很大的好处。

（2）材料与结构的同一性：复合材料通过加工其结构性质任然可以完整的保留，这一个特点对航空结构飞机非常重要，在现在的民航客机中，由于多种材料连接，而造成的腐蚀明显增多，对于一些采用了复合材料的情况，就可以明显减少由于化学电位差的不同造成点位腐蚀等情况明显的减少，通过这个特性可以发现我们现在所使用的复合材料大大保持了材料与结构的同一性这个优势。

2.3 复合材料的优点

与传统的材料相比，复合材料在性能上有下述几个优点。

（1）比强度、比模量大。拉伸强度与密度之比成为比强度；弹性模量与密度之比成为比模量。在多数状态下，这两个比值是度量材料承载能力的一个极重要的指标。复合材料与金属材料相比，具有高的比强度和比模量。例如，铝合金比强度和比模量分别是0.17和0.26，而碳纤维/环氧树脂复合材料的比强度和比模量分别是0.63和1.50。

（2）复合材料的耐疲劳性能好。复合材料的抗疲劳性能比金属材料的抗疲劳性能优越。例如，一般金属材料的疲劳极限是拉伸强度的45%～50%，而碳纤维/聚酯树脂复合材料的疲劳极限可达抗拉伸强度的70%～80%。

（3）复合材料具有脆性材料的特性。在到达失效点之前，他们的应力-应变关系是线性的。

3 复合材料在民用飞机上的应用

众所周知波音和空客是当今世界上两大民用飞机制造商，其同期产品波音787和A380上应用的复合材料是当今世界民用大飞机复合材料领域中的先进材料。

3.1 波音公司大型民用飞机的复合材料用量情况

波音公司复合材料技术的应用也经历了从次承力构件向主承力构件过渡的过程。B757飞机上复合材料的总用量达到了2t，约占结构重量的2.5%；B777飞机共用复合材料9.9t，约占结构重量的11%；B787的复合材料用量创历史最高记录达到 50%，铝合金用量只占20%。上述占比都指重量百分比，由于复合材料密度小，如果按体积百分比计算，这个数据就更悬殊了。环氧树脂与石墨成为787客机主要复合材料，机体主要复合材料为强化环氧树脂与石墨的化合物。机翼部分的复合材料还将包括钛和金的化合物。新型的复合材料使飞机更耐用，同时降低了维修要求，增加了未来发展的潜力。复合材料的使用提高燃油效率20%（其中12%的贡献来自于大量采用复合材料结构），B787飞机的复合材料用量占结构重量的50%，其中碳纤维复合材料为45%，玻璃纤维复合材料为5%。波音B787飞机主结构的50%采用了复合材料，它包括整个机身尾段，机身和机翼的一些主要部件；钛和钢占到了B787材料总量的25%，用在机翼的某些部件、起落架、发动机挂件等部位；传统的铝材占了25%；而塑料、橡胶和其他材料占了5%。它是世界上第一个采用复合材料机翼和机身的大型商用客机，其复合材料应用广度远远超过B777。波音公司在以后生产的飞机上将会进一步扩大复合材料的使用比例。

3.2 空客公司大型民用飞机的复合材料用量情况

空客公司也一直注重复合材料的研究与应用，空客系列飞机复合材料所占结构重量比例也在不断上升。其主要应用部位包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身、地板梁、后承压框等。空客自70年代中期开始研究复合材料，1983年生产A300、A310的复合材料方向舵，重量减轻20%；1978年开始研制A310、A320的垂尾，1995年完成，减重20%；此后在A320、A322、A330、A340等机型中复合材料用量达结构总重的15%左右，A340-500和A340-600还应用了热塑性复合材料机翼前缘。由于复合材料在A320、A340等飞机上的成功应用以及复合材料设计、制造和检查维修等技术的日渐成熟，复合材料在A380结构上的大量应用是一种必然。

4 讨论与总结

随着科技的不断进步和民航事业不断的发展，新型的复合材料将被广泛的应用到我国民航飞机中去。复合材料固有的缺点也将因技术的发展而不断消除，通过控制冷却速度等来控制金属基体的性质，从而让金属基复合材料的性能得到进一步提高，相信在不久的将来复合材料将在我国生产的打飞机上得到广泛应用。

参考文献

[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.