航空复合材料技术发展简析

王迅

【摘要】复合材料技术自研发以来，被广泛地应用于航空航天领域。随着目前航空航天领域的不断发展，其需求也不断增大，对复合材料也就提出了新的要求。今后的发展中，复合材料降低成本、综合应用的趋势势在必行。文章通过对复合材料的发展历程的总结介绍以及对目前复合材料的新气象的总结，提出对复合材料发展趋势的预测。着重讨论了目前复合材料发展的主要矛盾和未来的发展期望。

【关键词】航空；复合材料；技术

航空复合材料，即材料体系应用于航空结构，技术上不光研究材料本身构造，更要研究材料低成本的生产工艺和高性能的航空适用性，所以航空复合材料技术必须考虑到材料的维修和质量检测环节。航空复合材料技术中经常会牵涉到防雷击问题、环境污染问题或使用安全问题，这些问题与材料设计密切关联。航空复合材料技术必须发展力学性能的表现手法和实验标准，材料在设计构造和制作工艺上必须与使用功能相匹配。

一、航空复合材料技术发展回顾

上世纪七十年代美国NASA技术就带领民用航空机发展了先进的航空复合材料，为美国民用航空机启用复合材料提供了巨大的技术支持。而后NASA又提出了ACEE计划，扩展复合材料在航空事业中的应用空间，由Boeing、Douglas、Lockheed负责多个研究项目，致力于民用机尾翼、机翼和主体部分的材料设计和塑造，并建立了专业的材料属性审评体系。当时这三个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，獲得民用航空机复合材料的次结构技术。

此阶段复合材料技术在研究机身和机翼的主体结构上也投入很大心力，曾尝试利用树脂韧性改善材料的损伤容限，期望生产一个成本上符合实际情况的机身构造部件，而结果却以失败告终。后来NASA联合制造工业继续研发民用航空机身和机翼的主体结构的复合材料，主要从降低材料损伤容限和制造成本这两个方面入手，计划利用纺织工业生产操作手法提高复合材料厚度。经过长期实践发展，航空复合材料机身和机翼结构的研制计划正式步入正轨，得出一个基本结论：纺织结构的复合材料技术非常适用于复合载荷机身框架和窗舱框架加设筋板。

McDonnell Douglas公司推出的具备强大竞争力的机翼复合材料生产技术，证明实现机翼缝合技术已经有了基本条件。最佳的纺织业操作手法是融入树脂膜渗透模塑的碳纤维织物缝合技术。航空复合材料的纺织结构不适合机体结构中的大平面结构，只能用于机体特定部位，如有固定损伤容限且柔韧性较好的有强化要求的元件，一些弯曲部位的机身框架和舱窗间加筋板。

二、航空复合材料技术新气象

根据美国政府已经采纳的国家研究委员会提供的航空科研咨询一书，得知目前航空事业和制造工业在先进材料的应用准则上已经发生了重大变化，进一步强化航空事业在飞机制造业中关于制造成本的降低要求。民用航空复合材料应用准则上要求的成本降低事项可以有一个缓冲过渡期，并不是强制性革命性瞬间整改。复合材料的研制技术在内容上也有了新的变动。

眼下民用航空机在新复合材料使用上重点追求成本的降低，综合体现在设计成本和制作成本上，同时要求进一步提高材料的可维护性。根据这一基本目标，研究者从增韧热固性聚合物和高性能热塑性材料上重点展开探索。以往复合材料有关韧性方面的研究基本聚焦在发生冲击后机体结构的损伤容限的评估上，近期发展出额外的机体组件的抗损伤能力研究，观察损伤事件对结构性能的影响。即使目前复合材料已经能够很好地应用增韧体系，但是增韧体系成本一直是业界的一大痛点，苦于一直研发不出新的工艺技术，纤维束铺设、树脂传递塑模和树脂膜渗透难以有最佳契合度。

三、航空复合材料技术发展趋势

航空复合材料在市场上的受欢迎度一直处于平稳状态，这个现象多半源于材料自身的成本问题。实际上航空复合材料成本在复合材料组件的总成本中占比还不到百分之十，因为总成本先中最高的还是加工成本。以往复合材料属性功能是推动技术研究的核心动力，而当下材料成本却成为研究过程的最大问题。所以现在航空复合材料技术每研发一个新工艺，其核心目标总离不开低成本的原则框架，可见不久的未来，航空复合材料技术还要在成本限制中度过很长一段时间。

推动民用航空事业使用新型材料的因素使得航空复合材料技术在设计上更为简化，制造上趋向于低成本，使用上更加追求材料的耐久性和可维护性。复合材料中增韧热固聚合物和高性能热塑性聚合物与新的生产工艺更为协调，有望进一步推动新型复合材料的技术发展，为实现材料简化、耐用且成本低提供了更大的可能性。同时材料优化方面将基于应用准则进一步提高大小尺寸机组元件的平衡技术。

四、结语

上述内容从国外航空复合材料技术的应用历史展开阐述，主要对复合材料的概念、优越性以及涉及到的问题进行了简要介绍，对航空复合材料技术发展的过程进行全面分析，并对航空复合材料技术的发展现状和方向做了相应的探究。总的来说，具有质量小，强度高和性能强等诸多优点的复合材料在航空领域应用还有很大的发展前景。但在前景开发的路上，还有成本、可维护性、增韧体系等等诸多问题需要解决。为了多方位复合技术的发展和航空技术的自我超越，必须重视复合材料的重要性。

总而言之，航空复合材料在扩大机身主体结构应用上仍旧是材料结构研发重点。因为这是飞机飞行中实现减重，提高飞行稳定性的最佳途径。

参考文献

[1]王大伟，王晓燕.复合材料在航空工程中的应用研究现状及前景[J].山东工业技术，2016（20）：15.

[2]刘友丹，窦润龙.航空复合材料市场分析展望[J].航空制造技术，2011（20）：64～67.