復(fù)合材料在飛機(jī)航空中的應(yīng)用與發(fā)展姓名:李經(jīng)緯學(xué)號(hào)：0823020124復(fù)合材料大量用于航空航天工業(yè)和汽車(chē)工業(yè)，特別是先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料用于飛機(jī)尤為值得注意。不久前，碳纖維復(fù)合材料只能在軍用飛機(jī)用作主結(jié)構(gòu)，但是，由于技術(shù)發(fā)展的進(jìn)步，先進(jìn)復(fù)合材料已開(kāi)始在民航客機(jī)止也應(yīng)用作主結(jié)構(gòu)，如機(jī)身、機(jī)翼等。一．飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)現(xiàn)今新一代飛機(jī)的發(fā)展目標(biāo)是“輕質(zhì)化、長(zhǎng)壽命、高可靠、高效能、高隱身、低成本”。而復(fù)合材料正具備了上面的幾個(gè)條件，成為實(shí)現(xiàn)新一代飛機(jī)發(fā)展目標(biāo)的重要途徑。復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)、抗疲勞、易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化等優(yōu)點(diǎn)，因此，繼鋁、鈦、鋼之后迅速發(fā)展成為四大飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料之一。復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用首先帶來(lái)的是顯著的減重效益，復(fù)合材料尤其是碳纖維復(fù)合材料其密度僅為1.6g/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(lái)隨著復(fù)合材料技術(shù)的深入研究和應(yīng)用實(shí)踐的積累，人們清楚地認(rèn)識(shí)到：復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用效益絕不僅僅是減重，而且給設(shè)計(jì)帶來(lái)創(chuàng)新舞臺(tái)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，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(wú)法實(shí)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(hù)成本，增加未來(lái)發(fā)展的潛力和空間。尤其與鋁合金等傳統(tǒng)材料相比，可明顯減少使用維護(hù)要求，降低壽命周期成本，特別是當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入老齡化階段后效果更明顯，據(jù)說(shuō)B787較之B767機(jī)體維修成本會(huì)降低30％，這在很大程度上應(yīng)歸功于復(fù)合材料的大量應(yīng)用。同時(shí)，大部分復(fù)合材料飛機(jī)構(gòu)件可以整體成型，大幅度減少零件數(shù)目，減少緊固件數(shù)目，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)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(shù)減少42%，減重158kg。復(fù)合材料整體成型技術(shù)還可消除縫隙、臺(tái)階和緊固件，無(wú)疑對(duì)提高軍機(jī)的隱身性能也具有非常重要的貢獻(xiàn)。二．飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的發(fā)展過(guò)程先進(jìn)復(fù)合材料于上世紀(jì)60年代中期一問(wèn)世，即首先用于飛行器結(jié)構(gòu)上。30多年來(lái)先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用走過(guò)了一條由小到大、由次到主、由局部到整體、由結(jié)構(gòu)到功能、由軍機(jī)應(yīng)用擴(kuò)展到民機(jī)應(yīng)用的發(fā)展道路。1.復(fù)合材料在軍用飛機(jī)上的發(fā)展過(guò)程縱觀國(guó)外軍機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料所走過(guò)的道路，大致可分為三個(gè)階段：第一階段復(fù)合材料主要用于受力較小或非承力件，如艙門(mén)、口蓋、整流罩以及襟副翼、方向舵等，大約于上世紀(jì)70年代初完成。第二階段復(fù)合材料主要用于垂尾、平尾等尾翼一級(jí)的次承力部件，以F-14硼/環(huán)氧復(fù)合材料平尾于1971年研制成功作為標(biāo)志，基本于上世紀(jì)80年代初完成。此后F-15、F-16、F-18、幻影2000和幻影4000等均采用了復(fù)合材料尾翼，此時(shí)復(fù)合材料用量大約只占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的5%。第三階段復(fù)合材料開(kāi)始應(yīng)用于機(jī)翼、機(jī)身等主要的承力結(jié)構(gòu)，受力很大，規(guī)模也很大。主要以1976年美國(guó)原麥道公司研制成功FA-18復(fù)合材料機(jī)翼作為里程碑，此時(shí)復(fù)合材料用量已提高到了13%，軍機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化進(jìn)程進(jìn)一步得到推進(jìn)。此后世界各國(guó)所研制的軍機(jī)機(jī)翼一級(jí)的部件幾乎無(wú)一例外地都采用了復(fù)合材料，其復(fù)合材料用量不斷增加，如美國(guó)的AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35、法國(guó)的“陣風(fēng)”（Rafale）、瑞典的JAS-39、歐洲英、德、意、西四國(guó)聯(lián)合研制的“臺(tái)風(fēng)”（EF2000）、俄羅斯的C-37等，具體如表1所示。應(yīng)該指出繼機(jī)翼、機(jī)身采用復(fù)合材料之后，飛機(jī)的最后一個(gè)重要部件——起落架也開(kāi)始了應(yīng)用復(fù)合材料，向著全機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化又邁進(jìn)了一步。復(fù)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(dá)40%左右。2.復(fù)合材料在民用航空上的發(fā)展繼軍機(jī)之后，國(guó)外大型民機(jī)也大量采用復(fù)合材料，以波音飛機(jī)為例，其進(jìn)程大致走過(guò)了四個(gè)階段：第一階段：采用復(fù)合材料制造受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構(gòu)件，該階段于上世紀(jì)70年代中期實(shí)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80年代中期結(jié)束。第三階段：制造垂尾、平尾受力較大的部件，突破了尾翼級(jí)部件在大型客機(jī)上的試用，隨后B777設(shè)計(jì)應(yīng)用了復(fù)合材料垂尾、平尾，共用復(fù)合材料9.9噸，占結(jié)構(gòu)總重的11%。第四階段：在飛機(jī)最主要受力部件機(jī)翼、機(jī)身上正式使用復(fù)合材料，如波音公司正在研制的B787“夢(mèng)想”飛機(jī)，其復(fù)合材料用量達(dá)50％。下圖為B787“夢(mèng)想”中復(fù)合材料的使用情況。圖中深藍(lán)色部分為飛機(jī)的碳層合板，用于機(jī)身主體的機(jī)構(gòu)，淺藍(lán)色為碳夾芯板，用于飛機(jī)的尾翼部分和側(cè)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?？湛鸵灿?0年代中期開(kāi)始了先進(jìn)復(fù)合材料在其A300系列飛機(jī)上的應(yīng)用研究，經(jīng)過(guò)7年時(shí)間于1985年完成了A320全復(fù)合材料垂尾的研制，此后A300系列飛機(jī)的尾翼一級(jí)的部件均采用復(fù)合材料，將復(fù)合材料的用量