【复合材料】

由于现代先进飞机性能的高要求，使得复合材料在航空领域的应用突飞猛进，尤其是2005年，世界航空复合材料技术，取得了相当大的进展。对要求具有高强度质量比和高刚度质量比的结构，复合材料是最理想的材料。飞机和航天飞机的结构，是典型的对总质量敏感的结构。

复合材料是飞机理想的应用材料

以碳纤维为增强体的先进复合材料，在20世纪60年代中期问世，70年代初即开始应用于飞机结构。先进复合材料的应用，对飞机结构轻质化、模块化起着至关重要的作用。随着复合材料设计和制造技术的不断发展和成熟，先进复合材料在军、民用飞机上的用量也在不断扩大。复合材料用量的剧增，带动了复合材料产业的专业化和规模化发展，使先进复合材料正在逐步成为一种成熟、稳定的航空材料。

目前，复合材料和铝、钢、钛一起，已发展成为四大航空结构材料。现代先进飞机机体结构复合材料用量越来越大。经过数个阶段的发展，已实现了从非承力、次承力构件，到尾翼主承力、再到机翼与机身主承力构件应用。这是飞机性能的要求，也是商业成功和市场竞争的需要。

由于复合材料其高比强度、比刚度等优异特性，越来越广泛应用于飞机结构。目前国内外新研制的飞机，不但在水平安定面、副翼、垂尾等结构采用了复合材料，而且机身、机翼翼盒等主结构，也采用复合材料，使得结构一体化程度高，系统安装较为简单，减少零部件数，缩短总装时间。复合材料非比寻常的物理特性和可设计性，以及近年来生产成本的降低，加速了飞行器结构选材从金属材料向复合材料转变的进程。

复合材料的应用具有可使飞机结构减重10％～40％、结构设计成本降低15％～30％的优势。面对较高的燃油价格和越来越严格的污染物排放标准复合材料能使飞机减重的优点，显得尤为重要。

复合材料特性与金属材料对比

先进复合材料最普遍采用的纤维是碳、石墨、芳纶和硼，其中碳纤维是用如人造丝、聚丙烯睛或石油沥青这类有机物热解制作的。通常，当这类纤维弹性模量增大时，抗拉强度却会减小。在这类纤维中，碳纤维是先进加强件上最通用的纤维材料，而且被飞机和航天飞机最广泛的应用着，尤其作为预浸单向带或织布产品很适用。大量的产品可供选择为裁材料和构型，几乎适用于各种用途。

为粘接纤维加强件而采用的先进复合材料、基本材料和增强纤维种类一样繁多，树脂、塑料、金属、基本陶瓷材料，都可用作基本材料。现在，环氧树脂是用于飞行器结构和航天领域的基本热固性复合材料基体。对于全部热固性材料来说，就是通过时间、温度和压力使其变化，而变成按预期载荷方向排列增强纤维，达到密实低空隙结构的要求。

确定材料性能的一个重要因素，就是鉴定把纤维粘接在一起的基体部分。选择了机体组分，就确定了固化周期，并对如蠕变、抗压强度、耐热性、湿度敏感性、紫外线敏感性等给予影响，这些因素将影响复合材料长期稳定性。热塑性树脂基体超过热固性树脂基体的主要优点是：使用温度高，生产周期较短，不需要冷藏，韧性增大，湿度敏感性低，不必进行化学固化。基体放置在水中也能被改变性质。基体与纤维（芳纶除外）不同，其吸水后，使基体机械特性急剧降低，尤其受潮加高温时，更是如此。对于飞行器结构来说，由于环境变化剧烈，必须在设计上考虑吸收水分造成机械性能降低的后果。

kevlar(芳纶)是一种合成有机纤维的商标名称，芳纶的0.0275kg/cm3密度，使其抗拉强度比硼或大多数碳纤维都大。与其他像碳和硼类复合材料相比时，芳纶的抗压强度差。芳纶的这种固有特性，是由于内部纤维膨胀疏松的结果。但是，与其他复合材料相比，芳纶的抗破坏性明显较强。由于芳纶纤维具有吸水性，因此必须在设计中考虑到这种特性。

高性能的先进复合材料，经常用到临界刚度。所以，在开发新的复合材料时，趋向是要最大限度地增大纵向模量，而保持强度、冲击韧性、应变破坏和断裂韧性在可接受水平上。由于其拉伸特性是纤维的优势，所以，可按用途来进行纤维的选择。

向层压板的压缩特性与纤维和基体二者相关。当压缩模量与纤维无关时，要按纯基体的剪切模量来限定抗压强度。但对各向同性的均质材料而言，纯基体的剪切模量就与基体拉伸模量发生关系。所以，基体强度相对高时，就要防止或尽量减小复合材料在冲击条件下布层内出现碎裂，而且也要确保横向性能合格。断裂韧性，是使基体把裂纹和缺陷扩散限制最低范围的关键，特别对交联界面更是如此。

冲击之后保持抗压强度和应变，是高性能复合材料的重要特性。尽管防破坏至关重要，但要强调指出，破损安全仍是最决定性的。因此，为防止过度分层造成扩展而产生的冲击裂纹，用于飞行器结构的复合材料，需有足够的层间断裂韧性。

综合改进基体的准则，强调薄弱环节的经验数据：考虑降低性能最危险迹象的设计标准，加工工艺技术的限制，对纯基体性质和复合材料性质之间关系的估计。

早期实验证明，复合材料和铝钛结构相比，可减轻总质量的25％～35％，加上减少零件数量，是复合材料在多种用途中使用主要吸引力。目前影响更广泛的采用复合材料的障碍，是其与铝相比价格高、所需要的制作工艺劳动强度大、购买新一代相关生产设备的投资费用多。但是，劳动生产强度大，能够通过研制复合材料关键工艺技术，即生产制造工艺的自动化予以解决。

金属都是各向同性的，而复合材料都是各向异性的，一块单向铺层虽在轴向具有很高的强度和刚度，但在横向只有很低的特性。以载荷和功能要求为依据的正交铺层，能使复合材料达到并超过金属的特性。但是，复合材料也能铺叠成准各向同性的（具有近乎各向同性特性）。

国内复合材料结构技术的现状与差距

我国飞机结构上对复合材料的应用，追随着国际上先进国家的脚步，发展的历程基本相同。军民用飞机的各类舵面上，选择复合材料结构已经很普遍。

目前，我国已经开始进行复合材料机翼主结构技术的研究工作。由于机翼结构外形复杂，连接关系多，结构复杂，尺寸大，加工制造难度大。同时机翼需要考虑发动机吊挂接头、起落架支撑结构等集中载荷的影响等等。这些特殊要求，给设计和制造带来了难度。

虽然国内在复合材料的设计制造方面，取得很大进步，但是与国际先进水平比较，尤其是在复合材料主承力结构设计制造技术方面，还是存在相当大的差距。

复合材料在飞机结构上的应用情况，大致可以分为3个阶段：

第一阶段，是应用于受载不大的简单零件部件，如各类口盖、舵面阻力板、起落架舱门等；第二阶段，是应用于承力较大的尾翼等次级主承力结构，如垂直安定面、水平安定面、全动平尾、鸭翼等；第三阶段，是应用于主承力结构，如机翼盒段、机身等。

这3个阶段所涉及的复合材料制造技术，是3个不同的层次，在载荷水平上是完全不同的，对构件制造技术的要求也不同，构件的尺寸和结构的复杂程度，也有大幅的提高。国内目前的技术水平，处于第2阶段的水平。

对大型复合材料整体壁板的设计制造技术，由于尺寸及载荷增大，使得在复合材料结构形式的选择与优化、设计许用值的确定、分离面的设计、机械连接、制造精度及工艺稳定性、试验研证方法等方面，都需要进行进一步的深入研究。在制造与工艺技术方面，国内航空复合材料结构生产厂家除了采用预浸料/热压罐成型工艺生产复合材料构件，也开始采用各种低成本制造技术，生产不同的复合材料构件，也配备了一定的无损检测设备，普遍采用激光定位、自动铺带机、预浸料切割机、预制体编织机等复合材料制造设备，初步满足现阶段航空复合材料构件生产的需求。

但对于大型飞机复合材料构件的制造，仍然是生疏的，特别是大型整体成形技术和手段仍然是关键瓶颈，从模具、材料、检验等材料体系与标准规范方面，国内现在还没有国产的通过适航认证的适应下一代先进民机复合材料的碳纤维，即使是芳纶纤维、玻璃纤维（布）也未经过适航认证过程。目前适合于先进民机复合材料构件用的环氧树脂体系，有一定的基础，但数据都不完善，尚未获得适航认证。

纵观国外复合材料技术的发展，几乎都采用了先预研，再在型号中应用的方法。20世纪80年代后期以来，美国和欧洲就复合材料结构技术，开展了多个专项计划研究，已经取得了显著的成果。正是由于这些成果的取得，复合材料在民机结构中的应用，才能出现突破性的进展。

随着国内先进复合材料在军民用飞机上的应用不断扩大，以及设计和制造技术的积累，一些代表复合材料发展趋势的低成本复合材料结构技术，也有所进展。对飞机复合材料结构的应用研究，也在持续开展。在碳纤维制造、复合材料结构制造设备、复合材料主结构设计技术、大型无损检测技术方面，已经有了长足的进展。

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