纤维复合材料在航空工业中的应用及特点

       由于现代先进飞机性能的高要求，使得复合材料的发展突飞猛进，飞机结构的复合材料化已成为必然的发展趋势，这一趋势将从根本上改变传统的飞机结构设计和制造工艺，也将改变航天工业供应链重组进程，能否适应这一重大变革，势必影响一个国家航空制造业的成败兴衰，如今复合材料已经广泛应用于航空工业，小到飞机上的受力较小的前缘，口盖大到飞机尾翼机身，复合材料正在不断快速的替代金属材料。
 

      先进复合材料诞生于20世纪60年代末，70年代初即应用于飞机结构。先进复合材料指的是性能和功能上远远超出其单体组分性能和功能的一大类新材料，他们通常都是在不同尺度，不同层次上结构设计、结构优化的结果，融会贯通了各种单质材料发展的最新成果，甚至产生了原单质根本不具备的全新的高性能与新功能，是可以替代金属的结构材料。先进复合材料的增强材料最普遍采用的是碳纤维，石墨纤维，芳纶纤维，硼纤维。其中的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。按照基体材料的不同，先进复合材料分为树脂基，金属基和陶瓷基复合材料，当前树脂基复合材料技术基本成熟，已经广泛应用于军用飞机和民用飞机。以其为基体的纤维增强复合材料自20世纪80年代以来受到重视，在航空航天工业中有了越来越广泛的应用。
 

       复合材料在飞机上的应用大致可以分为三个阶段：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。
 

       这三个阶段所涉及的复合材料制造技术，是3个不同层次，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，也有大幅度的提高。国内目前的技术水平，处于第2阶段的水平。而美国已经到第三阶段而且规模很大。
 

 2.1.1 美国军用战机
 

       美国在复合材料方面具有强大的，全面的研究和生产基地，综合实力最强。在战机用复合材料方面，其规模和技术都走在世界前列。早在1974年美国的F-15A战斗机就使用了复合材料，使用复合材料比例为2%。1995年首飞的F/A-18E/F战机，复合材料的比例达到了22%，襟翼采用碳碳复合材料，机翼蒙皮也采用碳纤维-环氧复合材料。这时复合材料在飞机中的使用已经到了第二阶段，复合材料开始应用于承力较大的部件。

       1982年，美国陆军提出LHX（实验轻型直升机计划），为响应这个计划同时为了减少雷达反射截面积， RAH-66科曼奇直升机广泛应用了复合材料，其所用复合材料占整个直升机结构重量的51%，RAH-66是目前世界上使用复合材料最多的实用直升机。在基体结构中使用复合材料的有蒙皮、舱门、桁条、隔框、中央龙骨盒梁结构，炮塔整流罩、涵道尾桨护罩、垂直尾翼和水平安定面。在旋翼系统中使用复合材料的有挠性梁、桨叶、扭力管、扭力臂、旋转倾斜盘、套管轴和旋翼整流罩。传动系统使用复合材料的有传动轴和主减速器箱。所用复合材料有韧化环氧树脂，双马来酰亚胺树脂、石墨纤维、玻璃纤维和Kevlar纤维等。在战斗机和直升机上，先进复合材料不仅是轻质高强的结构材料，经过研究改性后还具有一定的隐身功能。造价超过2亿美元的B-2“幽灵”重型隐形轰炸机，于1978年开始研制，1993年12月交付使用，它的整个机身除主梁和发动机机舱采用了钛复合材料外，其它部分均由不易反射雷达波的碳纤维和石墨等非金属复合材料构成，机翼蒙皮是六角形蜂窝状夹芯碳/环氧吸波结构材料，该材料的面板为非圆Kevlar49增韧环氧，夹芯为表面经过特殊处理的六角蜂窝状Nomex，底板为非圆石墨增韧环氧。
 

      与国外先进战机相比，国产战机的复合材料的用量较少，在直升机领域复合材料的使用比例较大，直-3直升机中复合材料的使用率约为23%，歼8、强5战机的垂直尾翼壁板及垂直尾翼使用了碳纤维树脂基复合材料。高级教练机I-15“猎鹰”06的机头罩和方向舵大部件都是由国产高性能碳纤维复合材料制造的。
 

       民用飞机不同于军机，军机的复合材料应用上完尾翼马上上机翼、机身。而民机飞机要求安全性、可靠性、舒适性和经济性等，因此相隔了20年后才出现大型飞机的复合材料机翼和机身，这一段时间一是在发展相关技术，二是在努力降低成本，使之能与对应的金属结构竞争，条件具备了才有第二阶段迈进第三阶段的应用[6]。在民用运输类飞机中，波音777的垂尾，平尾、后气密框、客舱地板梁、襟翼、副翼、发动机整流罩和各种舱门等均使用了飞虎材料，总质量达9.9t，占结构总重的25%。新研制的波音787，机翼、机身等主承力结构均有复合材料制成，复合材料用量达全机结构总重的50%以上，其中约45%为碳纤维复合材料，5%为玻璃纤维复合材料，是世界时第一架采用复合材料机身，机翼的大型商用飞机。空客A320，A330等机型也大量采用了复合材料，用量占结构总质量的13%，A380更是达到了22%[6]。

我国民机复合材料结构应用技术研究起步较晚，在已经取证的民机中，复合材料结构使用有限。20世纪九十年代中期研制了Y7-100复合材料垂尾，并通过了试验验证和适航审查，在新支线客机ARJ21-700中，复合材料用量不到2%，主要应用于非结构件、次承力件、根据专家估计，在已经立项研发的国产大型客机结构中，先进复合材料用量将达到20%~50%，并将首次用于机翼级主承力构件，原材料也将努力实现国产化。随着ARJ21-700的后续机型的研发，代表先进技术的复合材料用量会进一步增多，并将逐渐应用到主要结构上。
 

       纤维增强复合材料之所以能在军用，民用飞机上的应用如此广泛，主要是因为纤维增强复合材料的优异特性。
 

      纤维增强复合材料是由基体和增强纤维组成。在纤维增强复合材料中，纤维比较均匀地分散在基体之中，纤维增强基体，其最主要的承载作用。基体的作用是把纤维粘结成一个整体，保持纤维间的相对位置，是纤维能协同作用，保护纤维免受化学腐蚀和机械损伤。纤维增强复合材料不仅具有本身独特的优点，同时也具有一般复合材料的性能和优点。
 

3.1 比强度和比模量高

       单位质量的强度和模量分别称为比强度和比模量，比强度和比模量高对于实现飞机结构的轻质化具有至关重要的作用，材料的比强度和比模量高，构件可以做的小巧，重量可减轻，而且质量不会受到影响。当材料的强度和刚度相同时，纤维增强复合材料构件的重量可比钢构件重量减轻70%左右、航天工业的成本与航天器的质量是息息相关的，对于航天卫星来说每减少一公斤的质量，将减少15-20万美元的制造发射成本。
 

       疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而造成的低应力破坏，是飞机坠毁的主要原理之一。与金属材料相比，纤维复合材料特别是纤维增强树脂基复合材料对缺口。应力集中敏感性小，而且纤维和基体的界面可以是扩展的裂纹间断变钝或改变方向，即阻止了裂纹的迅速扩展，从而具有较高的疲劳强度。
 

       在纤维增强复合材料中，每平方厘米上的纤维数量少则几千根，多则几万根，由具有韧性基体把它们连结成整体。当这类材料制成的构件遇到超负荷而又少量纤维断裂时，构件上的负荷能迅速地重新分配到未断裂的纤维上，从而使整个构件在短期内不致丧失工作能力，所以纤维增强复合材料的破损安全性好。
 

       以聚合物为基体的纤维增强复合材料，基体具有弹性。在基体和界面上有裂纹和脱粘的地方，还存在着摩擦力。在振动过程中，粘弹性和摩擦力使一部分动能转换成了热能。而且因为纤维增强复合材料的比模量高，其自振频率也很高，所以可以避免构件在作业是产生共振，纤维与机体界面间具有吸收振动能量的作用，即使产生了振动也会很快的衰减下来。故这类材料构件不容易产生振动破坏。
 

      复合材料的高温性能好，纤维增强复合材料的结构部件在大幅度温度变化的环境下，具有非常微小的热变形。一般铝合金在400℃时，其强度和弹性模量显著下降，而用碳纤维或硼纤维增强的铝合金在此温度下强度和模量基本不变。
 

       对于连续纤维增强复合材料，可用手糊法、模压成型法、缠绕成型法和拉拔成型法等制造工艺，复合材料的一次成型技术可以缩短飞机构件的制造流程，实现飞机模块化，减少飞机整体的连结点，往往这些点的应力集中现象比较严重，一次成型技术可以有效解决这些问题，增强飞机抗冲击能力，延长使用寿命，降低成本。复合材料的可设计性更多的是指功能或性能上的设计，比如可以通过特定方法制造出适用于航空航天工业零膨胀系数的材料等等。
 

      此外复合材料还具有其他一些方面的优越性能：如损伤容限高，尤其是玻璃纤维层压板表现出了极高的切口强度；具有突出的气动弹性剪裁好，当改变纤维的组成、排列方向和铺层厚度，就可以改变复合材料的强度和弹性，以达到设计者对设计对象的需求等等。
 

       航空工业对所需材料的要求是轻质、高强、高可靠。当前，飞行器上采用复合材料结构的主要目的是减轻机体结构重量和改善气动弹性和隐身性能等。但随着未来飞行器的发展需求不断提升，在未来复合材料结构设计上可能会出现诸多挑战如未来的飞行器可能需要具有变体的能力^[1]；未来飞行器必须满足在极端环境下的飞行等等。

 代表着最高端科学结晶的未来飞行器与先进复合材料科学技术的发展，必然推动整个航空航天工业乃至全人类的科学技术的进步。