金属复合材料在制造业的应用

（辽阳职业技术学院，辽宁 辽阳 111004）

20世纪40年代初,复合材料被广泛应用于民航方面。得益于GFRP良好的透波性,英国成为世界上最早利用GFRP制造机载雷达罩的国家。美国花了很长的时间致力于新材料—GFRP的研发,美国第一架大部分零部为件GFRP的全塑飞机于1967年成功地飞上了蓝天。当时的载客量为四人。借助新材料的优势这架飞机的自重减轻超过了450kg,使飞机的速度与承载能力得到了很大的提高。进入新纪元,民用飞机制造商将复合材料在飞机制造上的使用比例作为行业标准。因为复合材料能够实现新飞机机体减重进而降低直接运营成本。使之在残酷的市场竞争中立于不败之地。西方资本主义国家借助其先进的技术水平和研发能力将复合材料广泛应用于大型民用客机上。当然法国、意大利一起研发的ATR-72这个名字的飞机上，利用的材料中的复合材料就占了百分之二十以上。遥想到欧洲这个强大的科技大国联合中，它们的空中客车如果从现在往回推算的话已经有30年以上了。在这个系列当中，所选择的材料当中复合材料的比重是逐渐增加，从开始的百分之三变成了现在的百

分之二十，除了以上的质的飞跃，现在最高端的还要属A380，在它身上复合材料被利用的更多已经达到了百分之二十二，质量上以单机为例也是29937kg。大家可以看到，空中客车也就是飞入蓝天的飞机上，制造它们所采用的材料中复合材料所占据的比重是一年比一年要大，这一现象就能体现出来我们未来的、在天空翱翔的客机是如何发展的，它们的发展朝向是什么样的。进行到这里，我们以美国公司，即波音公司为例继续探讨一下，大家都知道美国在科技发展方面可以说是龙头老大，它们公司所生产的飞机，其中复合材料的用量是1429kg，它的名字叫B757,可是现在生产的飞机名字是B777居然在复合材料的用量质量是9900kg，再进一步发展到现在，大家可以惊喜的知道最新的飞机是B7E7，复合材料已经应用的更加多了，几乎已经达到整体的一半了，这简直在民机研发史上可以说是里程碑式的飞跃。基本上所有特别主要的支架等部分都用到了复合材料。我们从调研中，当然是国外市场的，可以看到虽然我们复合材料在各个方面的应用上并不是尽善尽美，还有很多不足的地方，但是对于客机这一部分复合材料的这种大规模的使用上还是呈良性的增长的，也算在复合材料中增长的最快也是最大的一项应用了。在以后的高空中、飞快的速度下、逐渐使用的信息系统中、将来我们肯定会将复合材料直接应用到军事方面，甚至完成无人机的愿望，还有导弹而且是超高声速的，越来越多的应用等待着复合材料。“一代材料，一代飞机”，随着科技和制造业的不断进步，新材料的发展也飞速提升。不断创新的新材料制造技术大大改善了飞机的性能。复合材料的广泛应用改善了民用飞机的经济性、舒适性、环保性，克服了民机受使用条件和自然环境的障碍，提高了民机制造业的整体水平。

1 提高了民用飞机的经济性

举个例子，通过使用复合材料波音B787整体机身省去了所有纵向蒙皮拼接件，大大减少了铝合金板的使用同时也减少了4万～5万个连接件，虽然复合材料的成本大大高于铝合金，但从长远的角度考虑使用复合材料还是经济合算的，因为使用这种复合材料它的好处之一就有质量轻、省油最重要的还是省钱也就是维修的成本越来越低了。飞机的购买价格、油耗、维修成本等都是民用飞机的主要成本。波音B787的场外维修间隔时间从波音767的500h提高到1000h，维修费用比波音B777降低了32%，都大大降低了飞机成本。

2 提高了民用飞机的舒适性

复合材料具有优异的抗疲劳特性，借助这一特性波音B787飞机克服了大型民用飞机舷窗最易产生疲劳损伤的弊端设计了大尺寸舷窗，使旅客可以拥有更大的视野。通过技术升级，波音B787的舷窗尺寸增加到280mm×480mm，比空客A330/A340的窗口面积增大了78%。波音B787通过使用复合材料在机身只增加70kg的情况下，使客舱的气压达到1800m高度处的压力。优于大部分飞机舱内气压相当于2400m处的压力。而我们单独看飞机的机身，用铝合金进行制作的话，如果也想跟之前的指标一样，也不是无法达到，只是有一个增重的弊端，它的质量将会增加一吨。还有的好处就是复合材料的性能之一就是比较耐腐蚀，这个特性就能让波音B787飞机当中的座位舱室内部有很好的湿润感，从而提高它的湿度，那么相比之下这个湿度要远远高于目前现有的飞机也就是由铝合金制造而成的。既然有了这个特点就能增加旅客的舒适性，不会因为干燥而产生脱水的现象。

除了以上的优势以外呢，这种飞机的整体成型上，如果使用复合材料的话它的机身需要的紧固件就更少了，不像铝合金机身使用那么多的铆钉去连接，反而质量并不理想，重量也更大。这样以后它的光洁度肯定要更好了，因为连接处更少了，同时噪音也更低了，我们作为旅客的话就可以更好地享受旅途过程，这些都要归功于复合材料的应用。

3 提高了民用飞机的环保性

轻便的复合材料结构件能够提高飞机的飞行效率，降低油耗。现在燃油的价位是越来越高，不仅如此国家对这个燃油的污染排放量级标准也是出台各种各样的新政策进行制约，种种迹象都可以看出复合材料在节能减排这一领域可以说是还未遇到敌手，重复体现它的优势。波音B787与同类飞机相比可以节省20%的燃油，这当中的8%是依靠应用复合材料而实现的。现在全球气候逐渐变暖，在这个大环境中，波音787的优势被放的越来越大，也越来越受到青睐。空中客车A380与A350的特点：近代民机制造史上空客A380最先大量使用复合材料，其中主要部位中央翼盒、机翼前缘、翼肋、机翼后缘操纵面、机身上蒙皮壁板、客舱地板梁、后压力框、机身尾段、尾翼、机身机翼整流罩和起落架舱门等采用了复合材料。复合材料的用量达到30t，占总质量的25wt%。我们首先看A389的中央翼，它的质量就有8.8t，看着是蛮大的，可是相比之下这要比铝合金材料制造的质量要少很多将近1.5t，那为什么会出现这一差距呢，这就要归功于碳纤维复合材料。

4 结语

除了以上减重这个优点以外我们再来研究一下其他方面，这次看看A380的机翼前方所用的材料是什么，它也有很多的优点，比如质量轻，这是显而易见的，还有就是不仅轻，而且制作起来也不那么繁琐费时，而且能更好的延长损害后的使用寿命等等，那么包含这么多优点的材料是什么呢？即为玻璃纤维材料。机翼中间和外侧襟翼及其滑轨整流罩、扰流板，以及副翼均采用了碳纤维复合材料。A380的机腹整流罩采用了轻型蜂窝结构。A380飞机的制造材料根据不同的位置也有所不同，比如说在机身的壁板上就要用GLARE板进行制造，需要用27块这种板才可以。它的面积有将近500多平方米。GLARE板是由铝合金薄板和玻璃纤维增强环氧聚合物复合材料铺层交替排列构成的一种纤维－金属层合板。GLARE板具有良好的拉－压疲劳性能因为其结合了金属材料与树脂基复合材料的优点。该性能降低了对缺口和冲击的敏感性,可以较好地解决机身对外来物冲击的损伤容限难题。当今世界上民用飞机使用复合材料用量最大的为A350，用量为52wt%，超过了波音787复合材料的用量。A350机身设计分前、中、后3段，直径为5.89m。A350机身段由4块碳纤维复合材料蒙皮壁板连接而成，而不像波音B787那样整段缠绕而成，这种设计的原理是每块壁板的厚度及纤维铺设方向可以根据具体的载荷要求进行优化，不需要大型热压罐。A350的壁板结构之前已经说了制造起来并不那么的繁琐费时，所以它维修起来也同样不那么费事，比较简单，简单在哪呢？就是一旦受损的话，我们只需要把壁板给它换成新的，不用把整个机身都卸下来进行修理。但是像这样的结构不仅不利于实现座舱的气密性，而且该结构存在着组装工作量大和连接件数量增加等缺点。A350的机尾段不得不采用整体成型技术，因为A350的机尾段是锥形筒体结构，难以和等直段一样采用壁板化的方法来制造。