復合材料在飛機上的應用

1、復合材料在飛機航空中的應用與發(fā)展學校：西安航空職業(yè)技術學院專業(yè)：金屬材料與熱處理技術姓名：郭遠摘要復合材料在飛機上的用量和應用部位已成為衡量飛機結構先進性的重要指標之一；復合材料構件的整體成型、共固化技術不斷進展，復雜曲面構件不斷擴大應用；復合材料的數字化設計，設計、制造一體化，以及基于三維模型鋪層展開的專用設計/制造軟件等技術的開發(fā)是先進復合材料發(fā)展的基本技術保障.復合材料在飛機航空中的應用與發(fā)展復合材料大量用于航空航天工業(yè)和汽車工業(yè)，特別是先進碳纖維復合材料用于飛機尤為值得注意。不久前，碳纖維復合材料只能在軍用飛機用作主結構，但是，由于技術發(fā)展的進步，先進復合材料已開始在民航客機止也應用作

2、主結構，如機身、機翼等。一.飛機結構用復合材料的優(yōu)勢現(xiàn)今新一代飛機的發(fā)展目標是“輕質化、長壽命、高可靠、高效能、高隱身、低成本”。而復合材料正具備了上面的幾個條件，成為實現(xiàn)新一代飛機發(fā)展目標的重要途復合材料具有質輕、高強、可設計、抗疲勞、易于實現(xiàn)結構/功能一體化等優(yōu)點，因此，繼鋁、鈦、鋼之后迅速發(fā)展成為四大飛機結構材料之一。復合材料在飛機結構上的應用首先帶來的是顯著的減重效益，復合材料尤其是碳纖維復合材料其密度僅為cm3左右，如等量代替鋁合金，理論上可有42%的減重效果。近年來隨著復合材料技術的深入研究和應用實踐的積累，人們清楚地認識到：復合材料在飛機結構上應用效益絕不僅僅是減重，而且給設計帶

3、來創(chuàng)新舞臺，通過合理設計，還可提供諸如抗疲勞、抗振、耐腐蝕、耐久性和吸透波等其它傳統(tǒng)材料無法實現(xiàn)的優(yōu)異功能特性，可極大地提高其使用效能，降低維護成本，增加未來發(fā)展的潛力和空問。尤其與鋁合金等傳統(tǒng)材料相比，可明顯減少使用維護要求，降低壽命周期成本，特別是當飛機進入老齡化階段后效果更明顯，據說B787較之B767機體維修成本會降低30%,這在很大程度上應歸功于復合材料的大量應用。同時，大部分復合材料飛機構件可以整體成型，大幅度減少零件數目，減少緊固件數目，減輕結構質量，降低連接和裝配成本，從而有效地降低了總成本，如F/A-18E/F零件數減少42%,減重158kg。復合材料整體成型技術還可消除縫隙

4、、臺階和緊固件，無疑對提高軍機的隱身性能也具有非常重要的貢獻。2 .飛機結構用復合材料的發(fā)展過程先進復合材料于上世紀60年代中期一問世，即首先用于飛行器結構上。30多年來先進復合材料在飛機結構上應用走過了一條由小到大、由次到主、由局部到整體、由結構到功能、由軍機應用擴展到民機應用的發(fā)展道路。1 .復合材料在軍用飛機上的發(fā)展過程縱觀國外軍機結構用復合材料所走過的道路，大致可分為三個階段:第一階段復合材料主要用于受力較小或非承力件，如艙門、口蓋、整流罩以及襟副翼、方向舵等，大約于上世紀70年代初完成。第二階段復合材料主要用于垂尾、平尾等尾翼一級的次承力部件，以F-14硼/環(huán)氧復合材料平尾于1971

5、年研制成功作為標志，基本于上世紀80年代初完成。此后F-1SF-1&F-18、幻影2000和幻影4000等均采用了復合材料尾翼，此時復合材料用量大約只占全機結構重量的5%。第三階段復合材料開始應用于機翼、機身等主要的承力結構，受力很大，規(guī)模也很大。主要以1976年美國原麥道公司研制成功FA-18復合材料機翼作為里程碑，此時復合材料用量已提高到了13%,軍機結構的復合材料化進程進一步得到推進。此后世界各國所研制的軍機機翼一級的部件幾乎無一例外地都采用了復合材料，具復合材料用量不斷增加，如美國的AV-8RB-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35法國的“陣風”（Rafale）、瑞典

6、的JAS-39歐洲英、德、意、西四國聯(lián)合研制的“臺風”（EF200。、俄羅斯的C-37等，具體如表1所示。應該指出繼機翼、機身采用復合材料之后，飛機的最后一個重要部件一一起落架也開始了應用復合材料，向著全機結構的復合材料化又邁進了一步。復合材料用在起落架上是代鋼而不是代鋁，可有更大的減重空間，一般可達40%左右。2 .復合材料在民用航空上的發(fā)展繼軍機之后，國外大型民機也大量采用復合材料，以波音飛機為例，其進程大致走過了四個階段：第一階段：采用復合材料制造受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構件，該階段于上世紀70年代中期實現(xiàn)。第二階段：制造升降舵、方向舵、襟副翼等受力較小的部件，該階段約于8

7、0年代中期結束。第三階段：制造垂尾、平尾受力較大的部件，突破了尾翼級部件在大型客機上的試用，隨后B777設計應用了復合材料垂尾、平尾，共用復合材料噸，占結構總重的11%。第四階段：在飛機最主要受力部件機翼、機身上正式使用復合材料，如波音公司正在研制的B787“夢想”飛機，具復合材料用量達50%。下圖為B787“夢想”中復合材料的使用情況。圖中深藍色部分為飛機的碳層合板，用于機身主體的機構，淺藍色為碳夾芯板，用于飛機的尾翼部分和側翼的少部分部件，綠色部分是玻璃纖維，紅色部分為鋁，黃色部分為鋁/鋼/鈦吊架。空客也于70年代中期開始了先進復合材料在其A300系列飛機上的應用研究，經過7年時間于198

8、5年完成了A320全復合材料垂尾的研制，此后A300系列飛機的尾翼一級的部件均采用復合材料，將復合材料的用量迅速推進到了15%左右。已于2005年初下線并首飛的A380超大型客機，具復合材料用量達25%,主要應用部位包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、機身地板梁和后承壓框等，開創(chuàng)了先進復合材料在大型客機上大規(guī)模應用的先河。上面的圖為空客大型民機結構用復合材料的進程。3 .復合材料在我國飛機制造的應用我國于上世紀70年代已開展軍機用先進復合材料的研究?！傲濉逼陂g作為預研項目研制了兩個機型的復合材料垂尾，1985年開始研制某型機帶整體油箱的復合材料機翼，90年代初研制了某型機復合材料垂尾和前機身，此后

9、多種機型均正式采用了復合材料，其復合材料用量接近10%。雖然我國在航空和汽車領域中，對于復合材料已經有了一定的了解和應用，但是復合材料的開發(fā)和投用在我國仍是一個重大的難點，我國航天事業(yè)起步慢，也沒有核心技術的支持，但是我相信，在長期的努力之下，我們國家一定會擁有自己的復合材料的技術，并用于飛機，汽車等的制造中。3 .飛機結構復合材料在將來的發(fā)展及前景人們以前一直擔心樹脂基復合材料結構的使用壽命問題，30多年來的應用發(fā)展歷史證明了先進復合材料具有優(yōu)異的使用性能，使用壽命不成問題，這也是目前飛機結構復合材料用量大幅提高的基礎和前提。自20世紀70年代先進復合材料進入飛機結構以來，各種飛機從未因大量

10、使用復合材料引發(fā)飛行事故，這無疑為復合材料的應用增加了信心和安全置信度。最早的裝機件歷經30余年的使用，已到設計的使用壽命，最近的檢測結果表明，空中使用和地面驗證情況相符，疲勞和使用環(huán)境未造成剩余強度下降，仍可承受既定的設計載荷，絕大多數制件至今仍處于良好狀態(tài)。曾以為樹脂基復合材料的老化可能是影響使用的嚴重問題，國外的大量使用經驗證明，老化不成問題，性能衰退未超過使用要求。同時使用經驗還表明，復合材料隨飛機結構成功地經受了疲勞與溫度、吸濕及腐蝕等環(huán)境的考驗，有些問題并不像當初預計的那樣嚴重。實踐還使人們認識到復合材料越是用于主結構問題越少，使用性能可能更好。如復合材料薄板，特別是薄的蜂窩結構面

11、板常出現(xiàn)沖擊損傷容限等問題，但主結構板厚增加，如A380中央翼盒處板厚可達45mm損傷阻抗能力提高，損傷容限已不成問題。當板厚超過8mms傷容限問題會急劇下降，厚板的吸濕、溫度傳導等問題均會下降，機體結構內部的框、梁、肋用復合材料沖擊、吸濕、耐溫等敏感問題也會相應下降，因此材料許用值和結構設計值可適當放寬。國內20余年的飛機結構用復合材料結果也表明復合材料確是一種使用性能優(yōu)異的新材料。如今復合材料在四大機種上的大量應用，已形成目前世界航空領域再度起飛的發(fā)展新態(tài)勢，事實雄辯地證明復合材料是實現(xiàn)飛機現(xiàn)代化的必由之路，飛機結構復合材料化也是大勢所趨。未來飛機特別是軍機為了進一步達到結構減重與降低綜合

12、成本，復合材料將不斷取代其他材料，用量繼續(xù)增長。美國一報告中指出：到2020年，只有復合材料才有潛力使飛機獲得20%-25%勺性能提升，復合材料將成為飛機的基本材料，用量將達到65%。2000年統(tǒng)計，鋁，鋼，鈦，復合材料各占飛機部件材料的65%,15%,5%,15%鋁占的比重仍然是最大的，而預計將來，復合材料降占主導位置。下圖為現(xiàn)在與將來預計飛機用材料比例圖。飛機結構用復合材料的發(fā)展趨勢概括起來可歸納為以下幾個方向：(1)高性能化。高性能化趨勢從材料角度主要體現(xiàn)在三個方面，一是提高力學性能，二是提高耐熱性能，三是提高耐服役環(huán)境性能。(2)多功能化。同一結構實現(xiàn)多種功能是復合材料的優(yōu)勢之一，如承

13、力/吸波，承力/吸波/減振、降噪一體化是飛機結構用復合材料的一個重要發(fā)展方向。要實現(xiàn)多功能化，設計是首位，材料是根本，工藝是保證。(3)智能化。智能化對提高結構效率和可靠性具有重要作用，是飛機結構設計越來越重視的方向。開發(fā)飛機結構用復合材料自感知、自診斷、自適應智能化技術，可以實現(xiàn)復合材料飛機結構噪聲抑制、振動控制、主動變形、健康監(jiān)測。(4)低成本化。這是一個永恒的主題。成本過高仍是制約飛機結構大量應用復合材料的主要障礙，因此低成本化仍為復合材料發(fā)展中急需解決的關鍵技術。低成本化重點考慮制造技術低成本化、設計方法低成本化、全壽命低成本化。(5)制造過程數字化。有利于減少試驗量，縮短研制周期，降低廢品率及提高生產效率。應發(fā)展復合材料制造過程模擬與工藝參數優(yōu)化技術，實現(xiàn)復合材料制造過程數字化與飛機結構設計數字化趨向相適應。(6)設計制造一體化。在設計階段就考慮制造與裝配中的問題，可加快產品研制進度，提高質量，有效降低成本。采用全新的設計理念和手段，將設計和制造融為一體，是復合材料發(fā)展的又一個重要趨勢。飛機的絕大部分結構將采