先进复合材料在飞机结构中的应用探讨

摘要：近几年来，复合材料技术得到非常大的进步，先进的复合材料不但具有高强度，而且具备高刚度，是飞机应用的理想材料，因此相关技术人员应当加强对先进复合材料的研究并且广泛应用于飞机结构，从而提升我国飞机的质量以及安全性。文章对先进复合材料在飞机结构中的应用进行了探讨。

关键词：复合材料；飞机结构；军用飞机；民用飞机；飞机质量；安全性 文献标识码：A

中图分类号：V258 文章编号：1009-2374（2016）27-0058-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.027

复合材料是指两种或两种以上化学性质以及物理性质不同的物质进行相关组合而成的固体材料，其可以承受荷载，将增强型材料粘贴在一起，进行纤维传递荷载的称为基体。复合材料不但保留其各个部分的优点，而且性能比单一性的材料更为出色。一般来讲，复合材料按照不同的分类法进行划分，主要分为三种：首先，按照基体类型划分，分为金属基、树脂基、无机非金属基；其次，按照增加体形状以及种类进行划分，分为纤维增强、夹层增强以及颗粒增强复合材料；最后，按照其性能进行分类，主要分为结构复合以及功能复合

材料。

1 复合材料的优点分析

1.1 比强度以及比模量高

比强度是指拉伸强度和密度的比值，比模度是指弹性模量和密度的比值。复合材料的比强度与比模量高。比如，碳纤维的复合材料的密度虽然只有钢材的五分之一，但是其比强度几乎和钢材的强度一样。此外，其比模量是钢材的四倍或者更高。一方面减少了制造飞机的结构重量；另一方面增加了飞机结构的强度，从而为飞机带来良好的经济效益。以波音飞机747为例子，其平均每年可以节省大约26000美元的燃油费。

1.2 良好的抗疲劳性

复合材料，尤其是纤维类树脂基的复合材料，由于制作表面裂缝起到一定的桥接作用，不但可以有效阻止裂缝扩展，而且拉伸时对疲劳裂缝的影响较小。比如，纤维增强的复合材料的疲劳极限强度可以达到抗拉强度的80%，而传统金属材料远远低于这个标准，因此将这种材料运用到飞机上是非常明智的选择，对于飞行20～30年的飞机，该复合材料几乎没有产生太大的

变化。

1.3 断裂安全性较好

一般来讲，纤维复合性材料之中存在大量纤维，由于纤维具有一定的韧性以及将其紧密粘贴在一起，从而促使其成为一个整体，如果构件中存在一部分的纤维断裂，其他完好纤维可以对构件荷载进行重新分配，因此构件短时间之内不会出现断裂的现象，材料的断裂安全性比较好。

1.4 复合材料红硬性好

所谓红硬性是指复合材料的高温性能，一般来讲，纤维增强型的复合材料，尤其是金属基的材料，其具有较好的耐高温的性能。比如，石英玻璃纤维的复合材料在500℃依然保持40%的室温强度。一般来讲，涂抹SIC材料之后的复合材料不但可以在316℃的环境下使用，而且性能比较稳定。

1.5 具有较好的减震性

一般来讲，复合材料比模一般较高，因此其震动频率也就较高，这主要是因为受力结构的振动频率和结构材料的比模成正比的关系，自振频率较高就决定复合材料具有较强的吸震能力，不但避免飞机构件工作状态产生共振现象，而且可以有效保护飞机不受振动损坏。复合材料中一般具有高韧性基体材料，从而具有明显的减震性能。

2 复合材料是制作飞机的理想材料

我国的飞机结构在20世纪70年代左右就开始应用先进的复合材料，复合材料对于飞机具有十分重要的意义，不但促使飞机结构重量减轻，而且强度进一步增加。随着复合材料技术的不断发展以及成熟，先进的复合材料被广泛应用在军用以及民用飞机上，其使用量也在不断增加。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，现代飞机的结构中使用的复合材料量越来越大，从最初在受力较小的构件上使用复合材料，发展到现在在机翼、机身等受力较大的位置广泛使用复合材料。这不仅仅是飞机性能的需要，而且也是商业竞争以及经济效益的结果。由于这种材料具有高比强度以及高比刚度等优点，因此其应用也逐渐广泛。我国最新研制的飞机，不但机翼、垂尾等构件使用复合材料，而且机身也广泛应用复合材料，从而促使飞机结构一体化。此外，由于复合材料的价格逐渐降低以及性能逐渐提高，从而促使飞机构件选材从金属转变为复合材料。

3 飞机结构各种复合材料分析

3.1 树脂基的复合材料

一般来讲，树脂基的复合材料占据了整个飞机重量的十分之一，飞机结构主要包括机翼、尾翼、机身等。波音飞机公司已经研发了最新一代的飞机，是采用复合材料为主的大型飞机，这架飞机名为B787。在这架飞机制作中使用最多的是碳纤维增加型树脂基材料，不但具有较高的强度，而且具有一定的尺寸稳定性以及较高的比模量，其机身的蒙皮、地板梁、机翼蒙皮以及龙骨梁等均采用碳纤维的树脂基型复合材料。

3.2 金属基的复合材料

相比传统的金属，金属基复合材料不但具有高比强以及高比模，而且热膨胀系数小，不但具有耐高温的特性，而且具有耐磨损的优点，因此作为新型的结构材料，其对于飞机意义重大。一般来讲，飞机的发动机就是飞机的心脏，因此为了确保飞机的可靠性以及安全性，发动机应当应用耐高温的材料。英国已经使用金属基复合材料取代耐热钢发动机，从而促使发动机的重量减轻了40%左右。

3.3 无机非金属基的复合材料

该复合材料不但具有低密度耐高温的特点，而且具有使用寿命长以及耐磨损的优点。目前，欧美的公司已经研发出了新的飞机刹车盘，其主要制作材料为无机非金属基的复合材料。一般来讲，飞机刹车导致的摩擦会使温度升高约500℃，尤其是紧急刹车，温度会上升1000℃以上。因此使用无机非金属基材料相比钢制材料具有很大的优点，不但减轻飞机的重量，而且可以耐受较高的温度，以前飞机刹车盘仅仅可以使用300次左右的着陆，而使用无机非金属基之后，寿命提高了6倍以上，可以达到1800次以上的起落寿命。

3.4 夹层增强复合材料

第二代的航天复合材料称为GLARE，其是由铝合金以及高强度的玻璃纤维铺设而成，不但具有较低的密度，而且具有高强度以及抗疲劳的优点。此外，这种材料具有很好的防火性以及抗损伤性。在伸拉以及疲劳负载试验中，采用这种材料可以促使结构总体质量减少30%左右，从而成为飞机的候选结构材料。此外，通过实验表明，在这种材料上人为制造一条裂缝，经过千次的飞行，其裂纹没有出现扩大现象。因此由于其性能的优越，成为未来飞机蒙皮的主要候选材料，比如A380飞机的机身，就考虑使用这种材料。

4 先进复合材料在军用、民用飞机中的应用

4.1 军用飞机上的应用

一般来讲，我国的军用飞机应用复合材料大致分为三个阶段：第一阶段，复合材料主要用在受力比较小的部件上，比如口盖、舱门、整流罩等；第二阶段，先进复合材料主要应用在尾翼的次承力的相关部件上，比如幻影2000、F15、F16、F18等机体的尾翼均使用了复合材料，复合材料不但密度低，而且质量轻，因此一般军用飞机使用复合材料可以大幅度减轻飞机重量；第三阶段，军用飞机应用复合材料做机身以及机翼，不但可以承受较大的压力以及重力，而且应用的规模也较大，自从1976年美国研制成功用复合材料做机翼的飞机，各国的军用飞机的机翼都采用了复合材料，比如法国阵风飞机、瑞典的JAS-39飞机、俄罗斯的C-37飞机以及英国、德国、西班牙以及意大利合作研制的台风飞机等。

目前，世界各国的军用飞机的复合材料大约占到全飞机总质量的20%～50%，此外，直升机以及无人机的复合材料也得到较快的发展，比如美国的科曼奇RAH66直升机，其复合材料占全飞机总质量的一半以上。又比如，欧洲的虎式直升机，其符合材料的用量达到飞机总材料用量的八成以上，甚至无人机也广泛使用复合材料，比如欧洲研制成功的无人机太阳神号。飞机复合材料技术不断发展，应用不断广泛，是否使用复合材料以及复合材料使用比例成为衡量飞机是否具有先进性的重要标志。我国从20世纪70年代开始在军用飞机上也开始应用复合材料，其中六五期间研制复合材料的垂尾、20世纪90年代研制复合材料的前机身。

4.2 民用飞机复合材料应用分析

一般来讲，民用飞机大约从20世纪70年代左右开始使用复合的材料，主要包括商用干线客机、小型航空飞机以及商用支线客机等，比如波音飞机的复合材料应用进程主要有四大阶段：第一阶段，使用在受力较小的构件上，比如口盖、前缘、整流罩等；第二阶段，主要是用于制作方向舵、升降舵等；第三阶段，主要应用在大型客机的平尾以及垂尾等受力较大的构件上，比如波音B777在垂尾以及平尾一共用掉复合材料9.9吨，占整个飞机总质量的十分之一以上；第四阶段，主要受力部件广泛应用复合材料。比如机翼、机身等构件上应用复合材料；波音公司研制的B787梦想机，复合材料的用量占整个飞机总用量的一半以上。

5 结语

综上所述，由于复合材料相比传统金属材料具有独特的优点，不但促使飞机总体质量更轻，减少飞行的燃料费用，而且强度大以及耐磨损，从而增加飞机使用寿命。因此相关技术人员应当加强对复合材料的相关研究，不但促使复合材料技术更进一步，而且提高飞机的安全性以及可靠性，未来的飞机构件将更为广泛地应用复合材料。

参考文献

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（责任编辑：蒋建华）

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