石顥 何丹琪

摘要：近幾年來，復(fù)合材料技術(shù)得到非常大的進(jìn)步，先進(jìn)的復(fù)合材料不但具有高強(qiáng)度，而且具備高剛度，是飛機(jī)應(yīng)用的理想材料，因此相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的研究并且廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)，從而提升我國飛機(jī)的質(zhì)量以及安全性。文章對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；飛機(jī)結(jié)構(gòu)；軍用飛機(jī)；民用飛機(jī)；飛機(jī)質(zhì)量；安全性 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：V258 文章編號(hào)：1009-2374（2016）27-0058-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.027

復(fù)合材料是指兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)以及物理性質(zhì)不同的物質(zhì)進(jìn)行相關(guān)組合而成的固體材料，其可以承受荷載，將增強(qiáng)型材料粘貼在一起，進(jìn)行纖維傳遞荷載的稱為基體。復(fù)合材料不但保留其各個(gè)部分的優(yōu)點(diǎn)，而且性能比單一性的材料更為出色。一般來講，復(fù)合材料按照不同的分類法進(jìn)行劃分，主要分為三種：首先，按照基體類型劃分，分為金屬基、樹脂基、無機(jī)非金屬基；其次，按照增加體形狀以及種類進(jìn)行劃分，分為纖維增強(qiáng)、夾層增強(qiáng)以及顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料；最后，按照其性能進(jìn)行分類，主要分為結(jié)構(gòu)復(fù)合以及功能復(fù)合

材料。

1 復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)分析

1.1 比強(qiáng)度以及比模量高

比強(qiáng)度是指拉伸強(qiáng)度和密度的比值，比模度是指彈性模量和密度的比值。復(fù)合材料的比強(qiáng)度與比模量高。比如，碳纖維的復(fù)合材料的密度雖然只有鋼材的五分之一，但是其比強(qiáng)度幾乎和鋼材的強(qiáng)度一樣。此外，其比模量是鋼材的四倍或者更高。一方面減少了制造飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量；另一方面增加了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，從而為飛機(jī)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。以波音飛機(jī)747為例子，其平均每年可以節(jié)省大約26000美元的燃油費(fèi)。

1.2 良好的抗疲勞性

復(fù)合材料，尤其是纖維類樹脂基的復(fù)合材料，由于制作表面裂縫起到一定的橋接作用，不但可以有效阻止裂縫擴(kuò)展，而且拉伸時(shí)對(duì)疲勞裂縫的影響較小。比如，纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的疲勞極限強(qiáng)度可以達(dá)到抗拉強(qiáng)度的80%，而傳統(tǒng)金屬材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因此將這種材料運(yùn)用到飛機(jī)上是非常明智的選擇，對(duì)于飛行20～30年的飛機(jī)，該復(fù)合材料幾乎沒有產(chǎn)生太大的

變化。

1.3 斷裂安全性較好

一般來講，纖維復(fù)合性材料之中存在大量纖維，由于纖維具有一定的韌性以及將其緊密粘貼在一起，從而促使其成為一個(gè)整體，如果構(gòu)件中存在一部分的纖維斷裂，其他完好纖維可以對(duì)構(gòu)件荷載進(jìn)行重新分配，因此構(gòu)件短時(shí)間之內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，材料的斷裂安全性比較好。

1.4 復(fù)合材料紅硬性好

所謂紅硬性是指復(fù)合材料的高溫性能，一般來講，纖維增強(qiáng)型的復(fù)合材料，尤其是金屬基的材料，其具有較好的耐高溫的性能。比如，石英玻璃纖維的復(fù)合材料在500℃依然保持40%的室溫強(qiáng)度。一般來講，涂抹SIC材料之后的復(fù)合材料不但可以在316℃的環(huán)境下使用，而且性能比較穩(wěn)定。

1.5 具有較好的減震性

一般來講，復(fù)合材料比模一般較高，因此其震動(dòng)頻率也就較高，這主要是因?yàn)槭芰Y(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和結(jié)構(gòu)材料的比模成正比的關(guān)系，自振頻率較高就決定復(fù)合材料具有較強(qiáng)的吸震能力，不但避免飛機(jī)構(gòu)件工作狀態(tài)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，而且可以有效保護(hù)飛機(jī)不受振動(dòng)損壞。復(fù)合材料中一般具有高韌性基體材料，從而具有明顯的減震性能。

2 復(fù)合材料是制作飛機(jī)的理想材料

我國的飛機(jī)結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)70年代左右就開始應(yīng)用先進(jìn)的復(fù)合材料，復(fù)合材料對(duì)于飛機(jī)具有十分重要的意義，不但促使飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量減輕，而且強(qiáng)度進(jìn)一步增加。隨著復(fù)合材料技術(shù)的不斷發(fā)展以及成熟，先進(jìn)的復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用在軍用以及民用飛機(jī)上，其使用量也在不斷增加。隨著復(fù)合材料不斷使用，促使復(fù)合材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模越來越大，復(fù)合材料逐漸成為穩(wěn)定成熟的飛機(jī)制作材料，現(xiàn)代飛機(jī)的結(jié)構(gòu)中使用的復(fù)合材料量越來越大，從最初在受力較小的構(gòu)件上使用復(fù)合材料，發(fā)展到現(xiàn)在在機(jī)翼、機(jī)身等受力較大的位置廣泛使用復(fù)合材料。這不僅僅是飛機(jī)性能的需要，而且也是商業(yè)競爭以及經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)果。由于這種材料具有高比強(qiáng)度以及高比剛度等優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用也逐漸廣泛。我國最新研制的飛機(jī)，不但機(jī)翼、垂尾等構(gòu)件使用復(fù)合材料，而且機(jī)身也廣泛應(yīng)用復(fù)合材料，從而促使飛機(jī)結(jié)構(gòu)一體化。此外，由于復(fù)合材料的價(jià)格逐漸降低以及性能逐漸提高，從而促使飛機(jī)構(gòu)件選材從金屬轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料。

3 飛機(jī)結(jié)構(gòu)各種復(fù)合材料分析

3.1 樹脂基的復(fù)合材料

一般來講，樹脂基的復(fù)合材料占據(jù)了整個(gè)飛機(jī)重量的十分之一，飛機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)翼、尾翼、機(jī)身等。波音飛機(jī)公司已經(jīng)研發(fā)了最新一代的飛機(jī)，是采用復(fù)合材料為主的大型飛機(jī)，這架飛機(jī)名為B787。在這架飛機(jī)制作中使用最多的是碳纖維增加型樹脂基材料，不但具有較高的強(qiáng)度，而且具有一定的尺寸穩(wěn)定性以及較高的比模量，其機(jī)身的蒙皮、地板梁、機(jī)翼蒙皮以及龍骨梁等均采用碳纖維的樹脂基型復(fù)合材料。

3.2 金屬基的復(fù)合材料

相比傳統(tǒng)的金屬，金屬基復(fù)合材料不但具有高比強(qiáng)以及高比模，而且熱膨脹系數(shù)小，不但具有耐高溫的特性，而且具有耐磨損的優(yōu)點(diǎn)，因此作為新型的結(jié)構(gòu)材料，其對(duì)于飛機(jī)意義重大。一般來講，飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)就是飛機(jī)的心臟，因此為了確保飛機(jī)的可靠性以及安全性，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)應(yīng)用耐高溫的材料。英國已經(jīng)使用金屬基復(fù)合材料取代耐熱鋼發(fā)動(dòng)機(jī)，從而促使發(fā)動(dòng)機(jī)的重量減輕了40%左右。

3.3 無機(jī)非金屬基的復(fù)合材料

該復(fù)合材料不但具有低密度耐高溫的特點(diǎn)，而且具有使用壽命長以及耐磨損的優(yōu)點(diǎn)。目前，歐美的公司已經(jīng)研發(fā)出了新的飛機(jī)剎車盤，其主要制作材料為無機(jī)非金屬基的復(fù)合材料。一般來講，飛機(jī)剎車導(dǎo)致的摩擦?xí)箿囟壬呒s500℃，尤其是緊急剎車，溫度會(huì)上升1000℃以上。因此使用無機(jī)非金屬基材料相比鋼制材料具有很大的優(yōu)點(diǎn)，不但減輕飛機(jī)的重量，而且可以耐受較高的溫度，以前飛機(jī)剎車盤僅僅可以使用300次左右的著陸，而使用無機(jī)非金屬基之后，壽命提高了6倍以上，可以達(dá)到1800次以上的起落壽命。

3.4 夾層增強(qiáng)復(fù)合材料

第二代的航天復(fù)合材料稱為GLARE，其是由鋁合金以及高強(qiáng)度的玻璃纖維鋪設(shè)而成，不但具有較低的密度，而且具有高強(qiáng)度以及抗疲勞的優(yōu)點(diǎn)。此外，這種材料具有很好的防火性以及抗損傷性。在伸拉以及疲勞負(fù)載試驗(yàn)中，采用這種材料可以促使結(jié)構(gòu)總體質(zhì)量減少30%左右，從而成為飛機(jī)的候選結(jié)構(gòu)材料。此外，通過實(shí)驗(yàn)表明，在這種材料上人為制造一條裂縫，經(jīng)過千次的飛行，其裂紋沒有出現(xiàn)擴(kuò)大現(xiàn)象。因此由于其性能的優(yōu)越，成為未來飛機(jī)蒙皮的主要候選材料，比如A380飛機(jī)的機(jī)身，就考慮使用這種材料。

4 先進(jìn)復(fù)合材料在軍用、民用飛機(jī)中的應(yīng)用

4.1 軍用飛機(jī)上的應(yīng)用

一般來講，我國的軍用飛機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料大致分為三個(gè)階段：第一階段，復(fù)合材料主要用在受力比較小的部件上，比如口蓋、艙門、整流罩等；第二階段，先進(jìn)復(fù)合材料主要應(yīng)用在尾翼的次承力的相關(guān)部件上，比如幻影2000、F15、F16、F18等機(jī)體的尾翼均使用了復(fù)合材料，復(fù)合材料不但密度低，而且質(zhì)量輕，因此一般軍用飛機(jī)使用復(fù)合材料可以大幅度減輕飛機(jī)重量；第三階段，軍用飛機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料做機(jī)身以及機(jī)翼，不但可以承受較大的壓力以及重力，而且應(yīng)用的規(guī)模也較大，自從1976年美國研制成功用復(fù)合材料做機(jī)翼的飛機(jī)，各國的軍用飛機(jī)的機(jī)翼都采用了復(fù)合材料，比如法國陣風(fēng)飛機(jī)、瑞典的JAS-39飛機(jī)、俄羅斯的C-37飛機(jī)以及英國、德國、西班牙以及意大利合作研制的臺(tái)風(fēng)飛機(jī)等。

目前，世界各國的軍用飛機(jī)的復(fù)合材料大約占到全飛機(jī)總質(zhì)量的20%～50%，此外，直升機(jī)以及無人機(jī)的復(fù)合材料也得到較快的發(fā)展，比如美國的科曼奇RAH66直升機(jī)，其復(fù)合材料占全飛機(jī)總質(zhì)量的一半以上。又比如，歐洲的虎式直升機(jī)，其符合材料的用量達(dá)到飛機(jī)總材料用量的八成以上，甚至無人機(jī)也廣泛使用復(fù)合材料，比如歐洲研制成功的無人機(jī)太陽神號(hào)。飛機(jī)復(fù)合材料技術(shù)不斷發(fā)展，應(yīng)用不斷廣泛，是否使用復(fù)合材料以及復(fù)合材料使用比例成為衡量飛機(jī)是否具有先進(jìn)性的重要標(biāo)志。我國從20世紀(jì)70年代開始在軍用飛機(jī)上也開始應(yīng)用復(fù)合材料，其中六五期間研制復(fù)合材料的垂尾、20世紀(jì)90年代研制復(fù)合材料的前機(jī)身。

4.2 民用飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用分析

一般來講，民用飛機(jī)大約從20世紀(jì)70年代左右開始使用復(fù)合的材料，主要包括商用干線客機(jī)、小型航空飛機(jī)以及商用支線客機(jī)等，比如波音飛機(jī)的復(fù)合材料應(yīng)用進(jìn)程主要有四大階段：第一階段，使用在受力較小的構(gòu)件上，比如口蓋、前緣、整流罩等；第二階段，主要是用于制作方向舵、升降舵等；第三階段，主要應(yīng)用在大型客機(jī)的平尾以及垂尾等受力較大的構(gòu)件上，比如波音B777在垂尾以及平尾一共用掉復(fù)合材料9.9噸，占整個(gè)飛機(jī)總質(zhì)量的十分之一以上；第四階段，主要受力部件廣泛應(yīng)用復(fù)合材料。比如機(jī)翼、機(jī)身等構(gòu)件上應(yīng)用復(fù)合材料；波音公司研制的B787夢想機(jī)，復(fù)合材料的用量占整個(gè)飛機(jī)總用量的一半以上。

5 結(jié)語

綜上所述，由于復(fù)合材料相比傳統(tǒng)金屬材料具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，不但促使飛機(jī)總體質(zhì)量更輕，減少飛行的燃料費(fèi)用，而且強(qiáng)度大以及耐磨損，從而增加飛機(jī)使用壽命。因此相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料的相關(guān)研究，不但促使復(fù)合材料技術(shù)更進(jìn)一步，而且提高飛機(jī)的安全性以及可靠性，未來的飛機(jī)構(gòu)件將更為廣泛地應(yīng)用復(fù)合材料。

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（責(zé)任編輯：蔣建華）