復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用

復(fù)合材料在飛機(jī)航空中的應(yīng)用與發(fā)展學(xué)校：西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院專(zhuān)業(yè)：金屬材料與熱處理技術(shù)學(xué)號(hào)：12806216摘要復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量和應(yīng)用部位已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一；復(fù)合材料構(gòu)件的整體成型、共固化技術(shù)不斷進(jìn)展，復(fù)雜曲面構(gòu)件不斷擴(kuò)大應(yīng)用；復(fù)合材料的數(shù)字化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)、制造一體化，以及基于三維模型鋪層展開(kāi)的專(zhuān)用設(shè)計(jì)/制造軟件等技術(shù)的開(kāi)發(fā)是先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展的基本技術(shù)保障.復(fù)合材料在飛機(jī)航空中的應(yīng)用與發(fā)展復(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。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)。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。復(fù)合材料在軍用飛機(jī)上的發(fā)展過(guò)程縱觀(guān)國(guó)夕卜軍機(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)—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)一例夕卜地都采用了復(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。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)合材料的用量迅速推進(jìn)到了15%左右。已于2005年初下線(xiàn)并首飛的A380超大型客機(jī)，其復(fù)合材料用量達(dá)25%，主要應(yīng)用部位包括中央翼、夕卜翼、垂尾、平尾、機(jī)身地板梁和后承壓框等，開(kāi)創(chuàng)了先進(jìn)復(fù)合材料在大型客機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用的先河。

1960 1970 1980 1990 2000 2010年份上面的圖為空客大型民機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的進(jìn)程。我國(guó)于上世紀(jì)70年代已開(kāi)展軍機(jī)用先進(jìn)復(fù)合材料的研究?！傲濉逼陂g作為預(yù)研項(xiàng)目研制了兩個(gè)機(jī)型的復(fù)合材料垂尾，1985年開(kāi)始研制某型機(jī)帶整體油箱的復(fù)合材料機(jī)翼，90年代初研制了某型機(jī)復(fù)合材料垂尾和前機(jī)身，此后多種機(jī)型均正式采用了復(fù)合材料，其復(fù)合材料用量接近10%。雖然我國(guó)在航空和汽車(chē)領(lǐng)域中，對(duì)于復(fù)合材料已經(jīng)有了一定的了解和應(yīng)用，但是復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)和投用在我國(guó)仍是一個(gè)重大的難點(diǎn)，我國(guó)航天事業(yè)起步慢，也沒(méi)有核心技術(shù)的支持，但是我相信，在長(zhǎng)期的努力之下，我們國(guó)家一定會(huì)擁有自己的復(fù)合材料的技術(shù)，并用于飛機(jī)，汽車(chē)等的制造中。飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在將來(lái)的發(fā)展及前景人們以前一直擔(dān)心樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用壽命問(wèn)題，30多年來(lái)的應(yīng)用發(fā)展歷史證明了先進(jìn)復(fù)合材料具有優(yōu)異的使用性能，使用壽命不成問(wèn)題，這也是目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用量大幅提高的基礎(chǔ)和前提。自20世紀(jì)70年代先進(jìn)復(fù)合材料進(jìn)入飛機(jī)結(jié)構(gòu)以來(lái)，各種飛機(jī)從未因大量使用復(fù)合材料引發(fā)飛行事故，這無(wú)疑為復(fù)合材料的應(yīng)用增加了信心和安全置信度。最早的裝機(jī)件歷經(jīng)30余年的使用，已到設(shè)計(jì)的使用壽命，最近的檢測(cè)結(jié)果表明，空中使用和地面驗(yàn)證情況相符，疲勞和使用環(huán)境未造成剩余強(qiáng)度下降，仍可承受既定的設(shè)計(jì)載荷，絕大多數(shù)制件至今仍處于良好狀態(tài)。曾以為樹(shù)脂基復(fù)合材料的老化可能是影響使用的嚴(yán)重問(wèn)題，國(guó)外的大量使用經(jīng)驗(yàn)證明，老化不成問(wèn)題，性能衰退未超過(guò)使用要求。同時(shí)使用經(jīng)驗(yàn)還表明，復(fù)合材料隨飛機(jī)結(jié)構(gòu)成功地經(jīng)受了疲勞與溫度、吸濕及腐蝕等環(huán)境的考驗(yàn)，有些問(wèn)題并不像當(dāng)初預(yù)計(jì)的那樣嚴(yán)重。實(shí)踐還使人們認(rèn)識(shí)到復(fù)合材料越是用于主結(jié)構(gòu)問(wèn)題越少，使用性能可能更好。如復(fù)合材料薄板，特別是薄的蜂窩結(jié)構(gòu)面板常出現(xiàn)沖擊損傷容限等問(wèn)題，但主結(jié)構(gòu)板厚增加，如A380中央翼盒處板厚可達(dá)45mm，損傷阻抗能力提高，損傷容限已不成問(wèn)題。當(dāng)板厚超過(guò)8mm損傷容限問(wèn)題會(huì)急劇下降，厚板的吸濕、溫度傳導(dǎo)等問(wèn)題均會(huì)下降，機(jī)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的框、梁、肋用復(fù)合材料沖擊、吸濕、耐溫等敏感問(wèn)題也會(huì)相應(yīng)下降，因此材料許用值和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值可適當(dāng)放寬。國(guó)內(nèi)20余年的飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料結(jié)果也表明復(fù)合材料確是一種使用性能優(yōu)異的新材料。如今復(fù)合材料在四大機(jī)種上的大量應(yīng)用，已形成目前世界航空領(lǐng)域再度起飛的發(fā)展新態(tài)勢(shì)，事實(shí)雄辯地證明復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)現(xiàn)代化的必由之路，飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化也是大勢(shì)所趨。未來(lái)飛機(jī)特別是軍機(jī)為了進(jìn)一步達(dá)到結(jié)構(gòu)減重與降低綜合成本，復(fù)合材料將不斷取代其他材料，用量繼續(xù)增長(zhǎng)。美國(guó)一報(bào)告中指出：到2020年，只有復(fù)合材料才有潛力使飛機(jī)獲得20%?25%的性能提升，復(fù)合材料將成為飛機(jī)的基本材料，用量將達(dá)到65%。2000年統(tǒng)計(jì)，鋁，鋼，鈦，復(fù)合材料各占飛機(jī)部件材料的65%,15%,5%,15%。鋁占的比重仍然是最大的，而預(yù)計(jì)將來(lái)，復(fù)合材料降占主導(dǎo)位置。下圖為現(xiàn)在與將來(lái)預(yù)計(jì)飛機(jī)用材料比例圖。liraDiinnSteelTitfiuiuinAhuEiiriiun圖&飛機(jī)用材料比例liraDiinnSteelTitfiuiuinAhuEiiriiun圖&飛機(jī)用材料比例2000年:!/。年｛質(zhì)瀏PAtiiTriiMiim飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)概括起來(lái)可歸納為以下幾個(gè)方向：（1）高性能化。高性能化趨勢(shì)從材料角度主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，一是提高力學(xué)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種功能是復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)之一，如承力/吸波，承力/吸波/減振、降噪一體化是飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的一個(gè)重要發(fā)展方向。要實(shí)現(xiàn)多功能化，設(shè)計(jì)是首位，材料是根本，工藝是保證。（3） 智能化。智能化對(duì)提高結(jié)構(gòu)效率和可靠性具有重要作用，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越重視的方向。開(kāi)發(fā)飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料自感知、自診斷、自適應(yīng)智能化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲抑制、振動(dòng)控制、主動(dòng)變形、健康監(jiān)測(cè)。（4） 低成本化。這是一個(gè)永恒的主題。成本過(guò)高仍是制約飛機(jī)結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用復(fù)合材料的主要障礙，因此低成本化仍為復(fù)合材料發(fā)展中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。低成本化重點(diǎn)考慮制造技術(shù)低成本化、設(shè)計(jì)方法低成本化、全壽命低成本化。（5） 制造過(guò)程數(shù)字化。有利于減少試驗(yàn)量，縮短研制周期，降低廢品率及提高生產(chǎn)效率。應(yīng)發(fā)展復(fù)合材料制造過(guò)程模擬與工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制造過(guò)程數(shù)字化與飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)字化趨向相適應(yīng)。（6） 設(shè)計(jì)制造一體化。在設(shè)計(jì)階段就考慮制造與裝配中的問(wèn)題，可加快產(chǎn)品研制進(jìn)度，提高質(zhì)量，有效降低成本。采用全新的設(shè)計(jì)理念和手段，將設(shè)計(jì)和制造融為一體，是復(fù)合材料發(fā)展的又一個(gè)重要趨勢(shì)。飛機(jī)的