先进复材技术在航空领域的应用

710089 中航飞机研发中心 陕西 西安|王桂华



先进复材技术在航空领域的应用

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树脂基先进复合材料是二十世纪六十年代中期崛起的一种新型材料，一经问世就显示了它强大的生命力。目前，先进复合材料在航空航天器结构上已获得了广泛应用，成为航空航天领域四大结构材料之一。推动了国民经济诸多领域的技术创新和发展。展望未来，先进复合材料的发展将会日新月异，蒸蒸日上。复材技术；航空；应用

先进复合材料在航空领域的应用现状

复合材料在航空领域的应用非常广泛，在4-8座轻型飞机中，占全机结构的90%以上，主要应用于机身、机翼、尾翼、内装饰、地板；在直升机中，占全机结构的70%左右，主要应用于机身、机翼、内装饰；在隐身飞机中，占全机结构的50%左右，主要应用于机身、机翼、尾翼、内装饰；在民用飞机中，占全机结构的7～30%，主要应用于尾翼、平尾活动舱面、整流罩、内装饰、地板。

先进复合材料为什么能获得广泛的应用

a具有优异的比强度、比模量性能

b基于复合材料各向异性和可设计性的特点，可按结构载荷分布状况，实现复材结构的最佳设计，实施整体性设计，减少零件和紧固件数量，有效地减轻结构重量，提高成本效益。

c具有良好的抗疲劳性能、减震性能、耐烧蚀性能和吸波、消音性能。

d工艺性好

随着复合材料品种的系列化发展，预浸设备、自动铺带机、数控加工（制孔、铣切等）设备的出现。复合材料制造工艺正朝着自动化、数字化方向发展、CAD / CAM一体化设计制造技术、热压罐固化工艺、RTM及纤维缠绕等技术已日趋成熟，为复合材料构件成型奠定了可靠的基础。复合材料工艺最大特点是容易成型任意型面的零件，可成型出共固化或整体式结构，工序少、时间短、产品更新快。

先进复合材料技术的发展趋势

a碳纤维品种增多，规模增大，价格趋降。特别是高强、高模，大丝束碳纤维研制加快，为先进复合材料应用奠定了基础。

PAN（聚丙烯晴）基碳纤维是当今发展规模最大产销量最多的一类碳纤维，目前T300的抗拉强度已提高到3.56Gpa，成为世界公认的通用级碳纤维。T1000抗拉强度提高到7.02Gpa。目前实验室数据已达到8.05Gpa，使碳纤维的高强度工作迈出重大步伐。

石墨晶体的理论强度为180Gpa，目前碳纤维产品的强度与理论强度相差甚远，仅达4.76%，潜力极大。

b从HEXEL、ACG公司开发的预浸料的产品，为我们工程应用的选择以及预浸料研究得到了许多启示。

HEXEL是世界驰名的复材公司，他不仅研制生产AS、IM、UHM三个系列碳纤维及织物，而且开发研制了品种多，配套的预浸料，包括碳纤维预浸料、芳纶预浸料和玻璃纤维预浸料，这些预浸料产品涵盖了极广的使用温度范围，实现了多个领域的应用。其中双马预浸料是先进军机使用的结构材料，最高使用温度达275℃。913、914、916、6376等环氧基料已在宇航、飞机得到应用。使用温度可达75～180℃，酚醛基料使用温度可达80～200℃。

ACG是英国先进复合材料集团的缩写，该公司研制的低温固化、高温使用预浸料，首先被用于复合材料工装上，提高了工装的型面精度，积累了复材工装材料的选择经验。从HEXEL、ACG公司预浸料的发展状况看出，使用温度275℃以下的预浸料，室温或较低温度固化，高温使用的预浸料已实现多样化、系列化、专门化的需求，规模生产、降低成本，将是工业领域推广应用的重要问题。

c随着复合材料品种增多，新设备的出现，复材制造技术也向着多样化、精细化、自动化方向发展。

虽然热压罐成型仍是复材构件制造的主要方法，但是纤维缠绕和拉拨、烘箱/热压机成型、以及压注成型工艺已有了长足的发展。特别是一批先进制造技术的出现有力地改善了复材制品的性能，提高了制造精度与效率，避免了人为偏差，增强了复材构件的可靠性和重现性。

结语

通过对复合材料力学性能、工艺性能的阐述对比，先进复合材料具有着不可比拟的优越性。目前，复合材料在国外A350和波音787飞机上所占的比例高达50%以上，而国内的飞机上所占的比例比较低，故而先进复合材料在航空领域应用前景十分广阔。不仅仅应用其制作功能性产品，减轻结构重量，提高产品性能，而且会越来越多地用其制作次受力、主受力的构件，成为宇航主结构材料之一。

参考：

［1］益小苏.先进复合材料发展动态研讨会会议简讯，材料工程，2002 年07期

［2］陈绍杰.先进复合材料的近期发展趋势，材料工程，2004年09期

［3］苏兴.先进复合材料更应是结构，中国建材报，2009年