航空复合材料应用及发展趋势

 1、引言
　　 近百年来航空工业与材料工业一直在相互推动下发展。继铝、钢、钛等金属材料后，在新一代飞机中复合材料已成为四大航空材料之一。目前越来越多的飞机零部件开始采用复合材料，从座椅、肋板、内部装饰、舷窗、引擎罩盖，到机翼、机身和整流罩等，复合材料成为现代飞机制造的重要材料。
　　 航空工业总是引领先进材料的技术开发，在世界范围内，以碳纤维为增强体的先进复合材料诞生于20世纪60年代末，大型飞机于20世纪70年代初就开始了先进复合材料应用。复合材料革命的发生是因其产品的非常特性以及近年技术开发的结果。在飞机设计中，从金属材料转向复合材料可以减重10～40%，结构成本降低15～30%。
　　 2、航空复合材料应用发展总体情况分析
　　 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。
　　 3、波音民用飞机公司复合材料应用情况
　　 波音公司研制的B787飞机，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），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，其应用广度远远超过B777和A380，大型机翼整体壁板、机身等部件大量采用自动铺放制造技术。波音认为采用复合材料除减重外，还可提供更好的耐久性，降低使用维护要求，增加未来发展的潜力和空间。
　　 B787飞机复合材料占50%左右，考虑到复合材料密度仅为1.6g/cm3，故全机主要结构均采用复合材料制成，从外表面看，除机翼、尾翼前缘、发动机挂架外几乎看不到金属。主要应用部位包括机翼、机身、垂尾、平尾、发房、地板梁、部分舱门、整流罩等，甚至还包括了起落架后撑杆、发动机机匣、叶片等部位。应该特别指出这是世界上第一个采用复合材料机翼和机身的大型客机，为世界之最，世界公认这是复合材料发展史上一个重要的里程碑。
　　 B787的主要用材体系为T800S/3900-2，纤维为日本东丽公司生产，树脂为改性的韧性环氧，177℃固化，已基本在B777上完成使用和验证波音认为复合材料除减重外，还可提供更好的耐久性、耐腐蚀性，可降低使用维护要求和成本，较B767降低成本30%，未来发展的潜力和空间大大增加。
　　 4、空客飞机公司航空复合材料应用情况
　　 空客公司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不断上升。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，大量采用自动铺放制造技术。
　　 A380约25%由复合材料制造，其中22%由各种不同的增强型塑料复合材料制成，大部分是Hexcel公司和Cytec公司提供的碳纤维增强环氧树脂。其中，减速板、垂直和水平稳定器（用作油箱）、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用复合材料制造。
　　 A380是第一个将复合材料用于中央翼盒的大型民机，该翼盒总重8.8t，其中采用复合材料5.3t，实现减重1.5t；板厚可达45mm，重要连接点处可达160mm，连接钉直径可达2.54cm，可承受高载。机身后承压框6.2m×5.5m，上有泡沫塑料充填的加筋，用RFI（树脂膜熔塑）技术成形，号称世界上最大的RFI整体成形构件。机身地板梁为I型梁，两端固支，受载很大，由日本JAMCO公司制造，采用了创新的拉挤技术，拉进去的是预浸料而不是纤维。A380上机身使用多块Glare层板，面积达470m2以上，约占全机结构总重的3%～4%，与相应的铝合金板比可减重25%～30%，其疲劳寿命则可提高10～15倍。
　　 目前，空客公司已启动A350XWB项目，为了同B787进行竞争，复合材料的用量已达到了52%，具体部件包括机翼、平尾、垂尾以及机身的各段，其中机翼、平尾、垂尾为全复合材料结构，机身为混杂结构。由于在机身上使用了复合材料，机身段数目减少为3个，生产将采用自动铺放技术。
　　 A350XWB机翼有“王冠上的珍珠”之称，是单通道客机机翼中最大的复合材料机翼，面积达到442m2，翼展64m。A350XWB机翼80%为复合材料，选材是在ATR支线飞机以及A400M 军用运输机基础上进行的。ATR及A400M的复合材料机翼外翼上装有发动机吊挂，A350XWB机翼上还安装了承受起落架的接头。A350XWB 吸收了A380大的平尾以及中央翼盒的选材经验，在机翼壁板厚度尺寸上还吸取了A320、A330、A340及A380的平尾壁板厚度经验，机翼表面要能承受登机梯的偶然冲击损伤。
　　 A350XWB机翼上所有大结构件（蒙皮、桁条、梁）以及活动面均为复合材料，翼肋可能是铝或铝锂合金：32m长的前缘50%为碳纤维复合材料。A350XWB中央翼盒采用A340-500/600的结构布局，复合材料的应用则采用A380的模式。
　　 4、结论
　　 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。随着复合材料性能、设计和制造技术的不断发展和成熟，先进复合材料在飞机上的用量也在不断扩大。复合材料用量的剧增，带动了航空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，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一。