复合材料在飞机航空中的应用与发展

复合材料在飞机航空中的应用与发展姓名:李经纬学号：0823020124复合材料大量用于航空航天工业和汽车工业，特别是先进碳纤维复合材料用于飞机尤为值得注意。不久前，碳纤维复合材料只能在军用飞机用作主结构，但是，由于技术发展的进步，先进复合材料已开始在民航客机止也应用作主结构，如机身、机翼等。一．飞机结构用复合材料的优势现今新一代飞机的发展目标是“轻质化、长寿命、高可靠、高效能、高隐身、低成本”。而复合材料正具备了上面的几个条件，成为实现新一代飞机发展目标的重要途径。复合材料具有质轻、高强、可设计、抗疲劳、易于实现结构/功能一体化等优点，因此，继铝、钛、钢之后迅速发展成为四大飞机结构材料之一。复合材料在飞机结构上的应用首先带来的是显著的减重效益，复合材料尤其是碳纤维复合材料其密度仅为1.6g/cm3左右，如等量代替铝合金，理论上可有42%的减重效果。近年来随着复合材料技术的深入研究和应用实践的积累，人们清楚地认识到：复合材料在飞机结构上应用效益绝不仅仅是减重，而且给设计带来创新舞台，通过合理设计，还可提供诸如抗疲劳、抗振、耐腐蚀、耐久性和吸透波等其它传统材料无法实现的优异功能特性，可极大地提高其使用效能，降低维护成本，增加未来发展的潜力和空间。尤其与铝合金等传统材料相比，可明显减少使用维护要求，降低寿命周期成本，特别是当飞机进入老龄化阶段后效果更明显，据说B787较之B767机体维修成本会降低30％，这在很大程度上应归功于复合材料的大量应用。同时，大部分复合材料飞机构件可以整体成型，大幅度减少零件数目，减少紧固件数目，减轻结构质量，降低连接和装配成本，从而有效地降低了总成本，如F/A-18E/F零件数减少42%，减重158kg。复合材料整体成型技术还可消除缝隙、台阶和紧固件，无疑对提高军机的隐身性能也具有非常重要的贡献。二．飞机结构用复合材料的发展过程先进复合材料于上世纪60年代中期一问世，即首先用于飞行器结构上。30多年来先进复合材料在飞机结构上应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能、由军机应用扩展到民机应用的发展道路。1.复合材料在军用飞机上的发展过程纵观国外军机结构用复合材料所走过的道路，大致可分为三个阶段：第一阶段复合材料主要用于受力较小或非承力件，如舱门、口盖、整流罩以及襟副翼、方向舵等，大约于上世纪70年代初完成。第二阶段复合材料主要用于垂尾、平尾等尾翼一级的次承力部件，以F-14硼/环氧复合材料平尾于1971年研制成功作为标志，基本于上世纪80年代初完成。此后F-15、F-16、F-18、幻影2000和幻影4000等均采用了复合材料尾翼，此时复合材料用量大约只占全机结构重量的5%。第三阶段复合材料开始应用于机翼、机身等主要的承力结构，受力很大，规模也很大。主要以1976年美国原麦道公司研制成功FA-18复合材料机翼作为里程碑，此时复合材料用量已提高到了13%，军机结构的复合材料化进程进一步得到推进。此后世界各国所研制的军机机翼一级的部件几乎无一例外地都采用了复合材料，其复合材料用量不断增加，如美国的AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35、法国的“阵风”（Rafale）、瑞典的JAS-39、欧洲英、德、意、西四国联合研制的“台风”（EF2000）、俄罗斯的C-37等，具体如表1所示。应该指出继机翼、机身采用复合材料之后，飞机的最后一个重要部件——起落架也开始了应用复合材料，向着全机结构的复合材料化又迈进了一步。复合材料用在起落架上是代钢而不是代铝，可有更大的减重空间，一般可达40%左右。2.复合材料在民用航空上的发展继军机之后，国外大型民机也大量采用复合材料，以波音飞机为例，其进程大致走过了四个阶段：第一阶段：采用复合材料制造受力很小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件，该阶段于上世纪70年代中期实现。第二阶段：制造升降舵、方向舵、襟副翼等受力较小的部件，该阶段约于80年代中期结束。第三阶段：制造垂尾、平尾受力较大的部件，突破了尾翼级部件在大型客机上的试用，随后B777设计应用了复合材料垂尾、平尾，共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%。第四阶段：在飞机最主要受力部件机翼、机身上正式使用复合材料，如波音公司正在研制的B787“梦想”飞机，其复合材料用量达50％。下图为B787“梦想”中复合材料的使用情况。图中深蓝色部分为飞机的碳层合板，用于机身主体的机构，浅蓝色为碳夹芯板，用于飞机的尾翼部分和侧翼的少部分部件，绿色部分是玻璃纤维，红色部分为铝，黄色部分为铝/钢/钛吊架。空客也于70年代中期开始了先进复合材料在其A300系列飞机上的应用研究，经过7年时间于1985年完成了A320全复合材料垂尾的研制，此后A300系列飞机的尾翼一级的部件均采用复合材料，将复合材料的用量迅速推进到了15%左右。已于2005年初下线并首飞的A380超大型客机，其复合材料用量达25%，主要应用部位包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身地板梁和后承压框等，开创了先进复合材料在大型客机上大规模应用的先河。上面的图为空客大型民机结构用复合材料的进程。3.复合材料在我国飞机制造的应用我国于上世纪70年代已开展军机用先进复合材料的研究。“六五”期间作为预研项目研制了两个机型的复合材料垂尾，1985年开始研制某型机带整体油箱的复合材料机翼，90年代初研制了某型机复合材料垂尾和前机身，此后多种机型均正式采用了复合材料，其复合材料用量接近10％。虽然我国在航空和汽车领域中，对于复合材料已经有了一定的了解和应用，但是复合材料的开发和投用在我国仍是一个重大的难点，我国航天事业起步慢，也没有核心技术的支持，但是我相信，在长期的努力之下，我们国家一定会拥有自己的复合材料的技术，并用于飞机，汽车等的制造中。三．飞机结构复合材料在将来的发展及前景人们以前一直担心树脂基复合材料结构的使用寿命问题，30多年来的应用发展历史证明了先进复合材料具有优异的使用性能，使用寿命不成问题，这也是目前飞机结构复合材料用量大幅提高的基础和前提。自20世纪70年代先进复合材料进入飞机结构以来，各种飞机从未因大量使用复合材料引发飞行事故，这无疑为复合材料的应用增加了信心和安全置信度。最早的装机件历经30余年的使用，已到设计的使用寿命，最近的检测结果表明，空中使用和地面验证情况相符，疲劳和使用环境未造成剩余强度下降，仍可承受既定的设计载荷，绝大多数制件至今仍处于良好状态。曾以为树脂基复合材料的老化可能是影响使用的严重问题，国外的大量使用经验证明，老化不成问题，性能衰退未超过使用要求。同时使用经验还表明，复合材料随飞机结构成功地经受了疲劳与温度、吸湿及腐蚀等环境的考验，有些问题并不像当初预计的那样严重。实践还使人们认识到复合材料越是用于主结构问题越少，使用性能可能更好。如复合材料薄板，特别是薄的蜂窝结构面板常出现冲击损伤容限等问题，但主结构板厚增加，如A380中央翼盒处板厚可达45mm，损伤阻抗能力提高，损伤容限已不成问题。当板厚超过8mm损伤容限问题会急剧下降，厚板的吸湿、温度传导等问题均会下降，机体结构内部的框、梁、肋用复合材料冲击、吸湿、耐温等敏感问题也会相应下降，因此材料许用值和结构设计值可适当放宽。国内20余年的飞机结构用复合材料结果也表明复合材料确是一种使用性能优异的新材料。如今复合材料在四大机种上的大量应用，已形成目前世界航空领域再度起飞的发展新态势，事实雄辩地证明复合材料是实现飞机现代化的必由之路，飞机结构复合材料化也是大势所趋。未来飞机特别是军机为了进一步达到结构减重与降低综合成本，复合材料将不断取代其他材料，用量继续增长。美国一报告中指出：到2020年，只有复合材料才有潜力使飞机获得20%～25%的性能提升，复合材料将成为飞机的基本材料，用量将达到65％。2000年统计，铝，钢，钛，复合材料各占飞机部件材料的65%,15%,5%,15%。铝占的比重仍然是最大的，而预计将来，复合材料降占主导位置。下图为现在与将来预计飞机用材料比例图。飞机结构用复合材料的发展趋势概括起来可归纳为以下几个方向：（1）高性能化。高性能化趋势从材料角度主要体现在三个方面，一是提高力学性能，二是提高耐热性能，三是提高耐服役环境性能。（2）多功能化。同一结构实现多种功能是复合材料的优势之一，如承力/吸波，承力/吸波/减振、降噪一体化是飞机结构用复合材料的一个重要发展方向。要实现多功能化，设计是首位，材料是根本，工艺是保证。（3）智能化。智能化对提高结构效率和可靠性具有重要作用，是飞机结构设计越来越重视的方向。开发飞机结构用复合材料自感知、自诊断、自适应智能化技术，可以实现复合材料飞机结构噪声抑制、振动控制、主动变形、健康监测。（4）低成本化。这是一个永恒的主题。成本过高仍是制约飞机结构大量应用复合材料的主要障碍，因此低成本化仍为复合材料发展中急需解决的关键技术。低成本化重点考虑制造技术低成本化、设计方法低成本化、全寿命低成本化。（5）制造过程数字化。有利于减少试验量，缩短研制周期，降低废品率及提高生产效率。应发展复合材料制造过程模拟与工艺参数优化技术，实现复合材料制造过程数字化与飞机结构设计数字化趋向相适应。（6）设计制造一体化。在设计阶段就考虑制造与装配中的问题，可加快产品研制进度，提高质量，有效降低成本。采用全新的设计理念和手段，将设计和制造融为一体，是复合材料发展的又一个重要趋势。四．我国复合材料的研究与开发1．碳纤维多年来在碳纤维技术方面我国未能突破其关键技术，研究进展缓慢，与国外的差距越来越大，产量远远不能满足国内的需求，导致至今碳纤维95%以上依赖进口，并深陷受制于人的局面。特别是随着A380、B787等几大机种上复合材料用量的剧增，碳纤维严重短缺，引发危机，对我国飞机结构用先进复合材料的发展影响甚大。碳纤维生产技术难度很大，特别是原丝技术难度大，没有好的原丝就碳化不出优质的碳纤维，成为我国碳纤维产业的瓶颈。近几年，国家有关部门对国产碳纤维的发展也很重视，有多个计划给予支持，有些企业自行投资也在研发碳纤维，并取得良好的前期效果。因此，可望在十一五、十二五期间我国碳纤维有新的较大发展，这对促进我国飞机结构大量用复合具有深远的意义。2．新型树脂体系先进复合材料用树脂体系仍然需要足够的重视，我国目前性能优异、工艺性优良的真正能够用于飞机结构复合材料树脂体系还不多，有待于新品种的开发，特别是相匹配的固化剂体系研制，如低温固化中温使用、中温固化高温使用的树脂体系等。