纤维增强复合材料在航空工业上的应用

       碳纤维及其增强复合材料常用于飞机、火箭和宇宙飞船的零部件，如用于军用飞机和大型民用客机的减速板和刹车装置，阿波罗宇宙飞船控制舱的光学仪器热防护罩、内燃机活塞、喷嘴材料、机翼和尾翼等。可见在发展低成本、高性能复合材料方面还大有潜力。

1、纤维增强复合材料对航空工业发展的意义

航空工业对所需材料的要求是轻质、高强、高可靠。飞行器作为一个整体，还用到少量非结构性材料，如阻尼、减振、降噪、密封材料等。纤维增强复合材料恰好适合制作这种材料。现代航空工业上应用的纤维增强复合材料有铝合金/玻璃纤维混杂复合材料(Glare)、碳纤维增强复合材料(CFRP)、芳纶增强复合材料(AFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)等，还用韧性环氧树脂、双马来醚亚胺树脂和聚酚亚胺树脂基增强复合材料等，它们覆盖了航空飞行器机体的主要面积。其中航空航天领域应用最多的是碳纤维增强复合材料，而玻璃纤维增强复合材料一般常用于航海船舶领域。

为了进一步迎接先进复合材料更高性能/价格比的挑战，欧洲空中客车公司提出的目标是更多地应用碳纤维增强复合材料以减重30%，从而降低整个飞行成本40%。

碳纤维及其增强复合材料常用于飞机、火箭和宇宙飞船的零部件，如用于军用飞机和大型民用客机的减速板和刹车装置，阿波罗宇宙飞船控制舱的光学仪器热防护罩、内燃机活塞、喷嘴材料、机翼和尾翼等。可见在发展低成本、高性能复合材料方面还大有潜力。在新一代飞机设计中，纤维增强复合材料除了作为结构材料外，还承担着吸波隐身等特殊功。复合材料对直升机的发展也至关重要，尤其在减重、隐身和防护装甲等方面能满足直升机机动性好、生存力高的要求。法国宇航公司也大幅度增加碳纤维增强复合材料的用量。波音公司生产的7E7双过道喷气式客机，包括机翼和机身在内的大部分承力骨架结构上已决定使用纤维增强塑料(FRP)，它抵消了制造方向上的突然转变所产生的任何负面影响。7E7飞机其结构件重量的50%以上是复合材料，这使得空中客车公司的成就黯然失色，而在这之前空中客车公司还被人们称为民航复合材料开发的领导者。

对航空用纤维增强复合材料的主要性能要求是，军用飞机要求提高其机动性、近距格斗和全天候作战能力;民用飞机则要求安全性、可靠性、舒适性和经济性等，因此对航空材料的主要要求是高比强度、抗疲劳、耐高温、耐腐蚀、长寿命、低成本。纤维增强复合材料以其典型的轻量特性、卓越的比强度、比模量、独特的耐烧蚀和隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等，在实现武器系统轻量化、快速反应能力、高威力、大射程、精确打击等方面起着巨大作用，使它成为航空航天工业中非常理想的材料。

2、纤维增强复合材料在航空工业上的应用

纤维增强复合材料首先应用在航空航天领域，如军用飞机、无人战斗机及导弹、火箭、人造卫星等。纤维增强复合材料在飞机上的使用部位大致包括 ：舱门、翼梁、减速板、尾翼结构、前机身、油箱、副油箱、舱内壁板、地板、直升机旋翼桨叶、螺旋桨、高压气体容器、天线罩、鼻锥、起落架门、整流板、发动机舱(尤其喷气式发动机舱)、外涵道、方向舵、座位与通道板等。现阶段航空工业使用的复合材料主要是纤维增强树脂基复合材料，包括热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。近年来，以碳纤维增强的热塑性树脂基复合材料因其高韧性、低吸湿性和耐疲劳性有取代热固性树脂基复合材料在航空航天领域应用的趋势。而纤维增强陶瓷基复合材料由于具有比单相陶瓷高得多的断裂韧性，有效克服了对裂纹和热震的敏感性，同时它还具有高比强度、高比模量和耐磨损以及热稳定性好等优点，已在重复使用的热防护领域显示出巨大的优势，因此在航空航天领域将有着巨大的应用市场。

飞机刹车装置

用碳/碳(C/C)复合材料可以制成飞机刹车盘，由于材料本身的密度小，使用C/C刹车盘后可以使每架飞机重量大大减轻而且还具有耐高温的优异性能。欧美公司生产的民航飞机的刹车系统已逐渐用C/C盘取代钢盘，如空中客车公司的所有飞机都采用了C/C刹车装置，波音公司的747-400以及777也是C/C盘。军用飞机则基本上都采用了C/C刹车装置。

机翼

空中客车公司复合材料技术分部的Daniel Claret Viros指出：在A380上，碳纤维增强复合材料已用作主要结构，如水平尾翼、垂直尾翼及方向舵、机身段。复合材料在水平尾翼上做安定面，其尺寸比A320机翼还大。英国的Westland一30直升机系列的尾翼在W30—160型上采用环氧树脂热固性材料。20世纪70年代后期，碳纤维增强复合材料作为主承力结构材料在F一18的主翼、机身等部位使用，用量达结构材料总重量的10%;垂直起降的AV一8B战斗机主翼等部件的碳纤维增强复合材料用量达到总重量的20%。F一15战斗机的垂直尾翼、方向舵和全动平尾的蒙皮均用硼纤维/环氧树脂增强复合材料制成。

机身

美国宇航局开发的旋翼垂直起飞的V一22飞机，应用碳纤维增强复合材料制作主翼、机体、尾部、发动机舱和旋翼等，用量占结构材料60%左右，最大航速高达590 km/h，明显降低燃油的消耗，这与轻量化是密切相关的。波音公司将复合材料作为提升其新飞机787竞争力的筹码，采用了结构重量50%的复合材料。而空中客车公司则采用了区别于波音的做法，据其南特工厂官方称，飞机制造商预计“对于2010～2012年使用的飞机，空中客车不仅计划采用全复合材料机翼，而且还是全复合材料机身。”

桨叶

在Dowty—Rotol与McCarthy十分完整的研究报告中已指出，用新的模压技术已经很容易把复合材料桨叶制造出来，而创造出气动效率比适宜于金属的更好的新形状。复合材料结构的优点之一是疲劳寿命有很大改善。众所周知，轻合金桨叶所遭到的表面损伤会更进一步降低它们的极限疲劳寿命，而复合材料桨叶在使用中就坚韧得多了。直升机的桨叶一般分为抗腐蚀的前缘、承载的主梁和带弯度的后缘三部分。为了维持力和力矩的平衡，每个桨叶还应能改变桨距(角度)和速度，这种周期性的桨距和速度变化导致桨叶上载荷复杂分布，从而对疲劳强度提出了更高的要求。。

纤维增强复合材料直升机桨叶比等价金属桨叶寿命更长。金属做的直升机桨叶很少能经受得住1500飞行小时的，而用纤维增强复合材料桨叶，3000飞行小时或更长的寿命正成为平常的事。尽管一些桨叶完全是用玻璃纤维来设计的，然而混杂纤维结构却具有很大的优点，它与±45。碳纤维层合板的拉伸模量(在0。方向)一样大，与0。(单向)的玻璃纤维铺层材料的拉伸模量相同，这就可以用来获得最好的弯曲与扭转刚度结合

发动机

最大的喷气发动机是涡轮风扇的而不是涡轮螺旋桨的，显然它有很多部位都采用了复合材料，尤其是在散热器端。一般来说，碳纤维/聚酰亚胺复合材料用作转子与静子，芳纶被用于环绕发动机的外环，碳纤维层合板用于内外包皮与某些温度范围合适的导管，即温度可到250。C(513。F)左右，反推力鱼鳞片与吸音板也是很好的应用对象。

采用纤维增强复合材料，在强度和刚度方面以及在较好的减振效果与抗疲劳方面都会有很好的改善。所用的材料具有较小的膨胀系数，使端部间隙较小而效率有所提高。在发动机的任意一处的减重意义都很重大，会使轴、盘的重量减轻，负荷减小，也使发动机短舱减重。

金属基纤维增强复台材料在发动机上的应用具有广阔的前景但是目前还处于试用阶段，如：惠普公司的硼纤维/铝复合材料风扇叶片;美国GE公司的SCS-6/Ti-6-4复合材料低压涡轮轴(体积含量35%);美国的综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划还对用金属基复合材料制造的风扇外涵机匣、发动机主轴和一些承力静止结构进行了试验。另外，碳纤维增强复合材料在发动机上的应用还包括发动机喷管及其延伸段、演示推力室。