先进复合材料在飞机结构中的应用

吴琨

摘要：随着我国对飞机结构研发的重视，复合材料以比强度高、比模量大、可设计性强、抗疲劳性能等优势被运用到飞机结构当中，研发人员不断发掘先进复合材料的潜力，提升复合材料的耐高温性能和耐疲劳性能，以强化飞机材料结构。本文阐述了先进复合材料在飞机结构中的具体应用以及效益情况，期望能够阐明先进复合材料的发展新趋势。

关键词：先进复合材料;飞机结构;应用实践

引言：我国的飞机结构在20世纪70年代左右就开始应用复合材料，随着复合材料不断使用，促使复合材料相关产业规模越来越大，复合材料逐渐成为稳定成熟的飞机制作材料，现代飞机结构中复合材料的用量也越来越大，从最初在受力较小的构件上使用复合材料，发展到现在机翼、机身等受力较大的位置广泛使用复合材料。

1概述

1.1 先进复合材料概念

先进复合材料（Advanced Composite Materials，简称ACM） 是指用高性能碳纤维作为增强相，以先进树脂作为基体材料的材料，该类材料比强度高、比模量大，被运用到主承力结构或者是次承力结构当中。从材料特性上来看，先进复合材料材料的重量较轻，强度高，具备较好的抗热和抗腐蚀性能，并以其优异的性能成为继铝合金、钢、钛合金之后的第四大航空结构材料，日益广泛地应用于航空航天等现代高科技领域。

从用途角度可以将先进复合材料划分为两种类型：1）结构复合材料，其主要是被运用到飞机结构当中，该种类型的复合材料具备较为优异的力学特性;2）功能复合材料，该类材料主要用于光学、电学、声学以及热、磁等领域，具备如吸波、透波、隔热、导电、摩擦、阻燃等功能，具有较好的发展前景。

1.2 复合材料的优势

1.轻质化。在航空领域中飞机结构减重尤为重要，碳纤维复合材料的出现解决了这个难题，使用碳纤复合材料有助于减轻机体的重量，在飞机结构上每使用1公斤的碳纤维复合材料，就会减轻五百公斤的质量，复合材料的应用可使飞机结构减重10%-40%，这对于飞机结构飞向更高的空域提供了可能，而且可以大大的减少飞行中的燃料消耗。

2.高强度。复合材料的强度是钢材强度的五倍，是铝合金的四倍。

3.抗高温性。能在飞机飞行初期，有较强的初速度，在较强初速的影响下会产生空气摩擦，所以要求飞机必须具有抗髙温的外层保护。复合材料出色的耐热性可以承受两千摄氏度以上的高温，减少高热带来的冲击，可以对航天航空飞行器的外围起到保护作用。在航天飞机进入对流层时由于气温下降，受热胀冷缩的影响较大，这会大大影响航天飞机的零件，而碳纤维复合材料有较好的低热膨胀性能，在零部件外层涂抹会减轻零部件的变形。

4.抗腐蚀性能。飞行器在高空中飞行时，由于环境复杂，受腐蚀和辐射性加强，碳纤维复合材料在抗腐蚀与辐射上具有很好地性能，大大的保护了飞行的安全，延长了飞机的使用寿命。环境优化复合材料的应用可使飞机结构设计成本降低15%-30%，面对较高的燃油价格和越来越严格的污染物排放标准，复合材料在飞机结构上的应用有效解决了当前所面临的高油价及环境污染严重的困扰。

2 先进复合材料在飞机结构中的具体应用

先进复合材料具有重量轻、强度高的特点，且设计性好，能够实现飞机结构的功能设计，被大量应用到军用飞机和民用飞机的结构当中。

2.1先进复合材料在军用飞机结构中的应用

国外20世纪70年代初期将先进复合材料在军用飞机，学者发现复合材料在受力方面性能优异，认为该种材料的性能能够满足飞机舱门、方向舵以及襟副翼等結构的设计。1971年，硼/环氧复合材料被运用到F-14飞机的平尾结构当中，标志着先进复合材料在军用飞机结构运用的又一次跨越。此后，在F-15、F-16等系列飞机中都采用了先进复合材料作为尾翼的次承力部件。20世纪80年代，学者们开始研究将先进复合材料运用到飞机垂尾以及平尾等设计当中，将其作为次承力部件。从1976年以后，美国公司在F/A-18飞机的机翼中成功使用了复合材料，该研究成果标志着先进复合材料在军用飞机中应用的又一进步，先进复合材料开始被运用到机身结构和机翼结构等主承力结构当中，其具备较强的受力能力，且受力规模也比较大。图1为先进复合材料在军用飞机的使用比例。如今，世界各国的军用飞机结构中都采用了先进复合材料，其用量已经占据了整个军用飞机质量的20%-50%。

2.2 先进复合材料在民用飞机结构中的应用

复合材料在民用飞机的应用始于20世纪40年代初，英国首先利用GFRP透波性好的特点来制造机载雷达罩。事实上，先进复合材料在民用飞机结构中的应用也经历了四个阶段：第一阶段应用到受力比较小的飞机前缘、整流罩等部位;第二阶段是用到方向舵以及升降舵等部件的构造当中;第三阶段是用到客机垂尾部位等次承力部位;第四阶段则用到机翼以及机身等主承力部位。近年来，受残酷的竞争因素驱动，在民用飞机机体结构当中，先进复合材料被视为实现新飞机机体减重及降低直接运营成本的有效途径，其用量如图2所示，先进复合材料在民用飞机结构中的运用量已经上升到了40-50%。

3 先进复合材料在飞机结构中应用效益分析

先进复合材料在飞机结构当中具备较为明显的减重效益和功能效益，如碳纤维复合材料，其密度仅1.6g/cm3，而在飞机结构设计中采用碳纤维复合材料来替代合金材料，同等规格的飞机在理论上可以降低42%的重量，该种效益对于飞机设计来讲是任何其他设计理念或者是生产技术都无法达到的效果。军用飞机中采用先进复合材料能够让飞机的重量大幅度减少，同时先进复合材料还具有吸波和透波等功能，可有效延长作战半径和提高生存能力;而在民用飞机结构中采用先进复合材料可减轻机体重量，提高航程，降低油耗，能够为航空公司带来更高的经济收益。此外，由于复合材料可设计性强，为飞机结构的设计开拓了新思路，如利用先进复合材料达到抗震、抗腐蚀以及抗疲劳等效果，充分发挥出先进复合材料的优异功能，最大限度提升飞机的使用效能。

结束语

先进复合材料的前景是广阔的，随着复合材料技术的迅速发展， 在飞机上的应用也将与日俱增，随着复合材料技术已趋成熟，经验在不断积累，由于复合材料具有轻质、高强、性能可剪裁等诸多优点，在航空航天领域仍具有持续发展的潜力。目前，我国正在大力发展军用飞机和民用飞机等项目，急需先进复合材料，虽然我国复合材料逐渐形成体系，已经满足了部分型号的技术要求，但总体上与发达国家还有一定的差距，需加大先进复合材料的研制和创新，从而增强我国在世界航空工业的竞争力。

参考文献

[1]宋吉.基于高分子复合材料的飞机结构件研究进展[J].塑料工业，2018，46（10）：24-28.