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復合材料在飛機機身上的應用

1.飛機機身結構上的應用

先進復合材料用于加工主承力結構和次承力結構，其剛度和強度性能相當于或超過鋁合金的復合材料。目前被大量地應用在飛機機身結構制造上和小型無人機整體結構制造上。美國在殲擊機和戰斗機上大量使用復合材料。20 世紀 60 年代，美國首先將碳纖維增強塑料(CFRP)用在軍機上，用于艙門、口蓋、整流罩以及副翼、方向等受力較小或非承力部件。80 年代初，發展到垂尾、平尾等尾翼一級的次承力部件，如 F-15、F-16、F-18、影2000 和幻影 4000 等均采用了復合材料尾翼，此時復合材料用量有限。到 80 年代末，美國推出的第四代戰斗機 F-22、F-35JSF 上，復合材料開始應用于機翼、機身等主要的承力結構，軍機結構的復合材料化進程加速，復合材料用量不斷增加(表 1-2)，現在復合材料的用量已經占軍用飛機結構質量的 20%~50%。

英國ICI公司用 GF/PA 生產戰斗機上的閥門，使飛機閥門在很寬的溫度范圍內與燃料長期接觸也能保持其性能和形狀的穩定。Du Pont 公司也采用GF、KF/PA、PPS 等材料制造軍機的零部件。

以典型的第四代戰斗機F/A-22 為例，復合材料占 24.2%，其中熱固性復合材料占 23.8%，熱塑性復合材料占 0.4%左右。熱固性復合材料的 70%左右為雙馬來亞胺樹脂(BMI，簡稱雙馬) 基復合材料，生產 200 多種復雜零件，其他主要為環氧樹脂基復合材料，此外還有氰酸酯和熱塑性樹脂基復合材料等。主要應用部位為機翼、中機身蒙皮和隔框、尾翼等。

此外，軍用旋翼機的螺旋槳及機體結構也大量使用復合材料，如 V-22“魚鷹”傾轉旋翼機所用復合材料占結構質量的 40%以上，包括機身、機翼、尾翼、旋轉機構等，共用復合材料超過 3000kg。歐洲最新批次的“虎”式武裝直升機結構部件的復合材料用量高達 80%，接近全復材結構。相對而言，軍用運輸機上復合材料用量不多，如 C-17 占8%、C-130J 僅占2%，但空客 A-400M 軍用運輸機上采用全復合材料機翼，復合材料用量占飛機空載時結構質量的 35%。

在民用飛機方面，20 世紀 80 年代初美國生產的單人駕駛的“星舟”輕型機，結構質量約 1800kg，其中復合材料用量超過 1200kg。1986 年美國生產的“旅行者”號輕型飛機，其90%以上的結構采用了碳纖維復合材料，創下了不著陸連續 9 天進行環球飛行的世界紀錄。當前，全球兩家航空巨頭-- 美國波音公司和歐洲空客公司多年形成的競爭更是愈演愈烈，其中一個重要表現就是復合材料的用量不斷增加(圖 1-2)。

波音公司為了生產第一架全復合材料的 787 飛機機身，采用了類似于雷神公司所應用的纖維鋪設方法。生產出一個長 7m寬約 6m的復合材料機身部件，這一構件是在一個巨大的旋轉芯模上采用自動纖維鋪放 (automatic fber placement，AFP) 技術生產出來的。芯模上預制有與桁、大梁的外形和尺寸一致的槽，將預成形的長桁與梁(均由碳纖維預浸料鋪設和加壓固化而成)在纏繞前預先放在槽內，工作時芯模隨芯軸在設備上轉動，使纖維連續地纏繞到芯模上，形成機身殼，并留出窗口位置，再將機身殼與梁、長析一同送入熱壓罐固化，得到一個整體的復合材料機身段，最后卸模取出成品。B-787 復合材料機身段不僅是世界上最大的纏繞機身部件，而且被認為是用碳纖維制造出的最大的壓力容器。復合材料極高的拉伸/環向強度使它能承受更高的客艙內部壓力，使得艙內的壓力保持在海拔 6000ft(1830m)高度時的氣壓，而不是通常的 7000~9000ft，乘員會感覺更加舒適。復合材料抗腐蝕(金屬機身的最大弱點是易被腐蝕)，機艙內濕度可以恒定在 10%~15%(金屬機身內濕度只能保持在 5%~10%)，這也同樣增加了乘員的舒適度。

與此同時，在復合材料如此之大的影響力下，空客公司徹底重新設計 A-350。新飛機改名為 A-350 XWB(超寬機身)并采用復合材料，使原計劃40%的復合材料用量提升到 52%。A-350 XWB 的機體比 B-787 還寬 13cm在高密度下可以每排布置9 座而 B87 每排最多只能布置8 座。A-350 XWB 也將把座艙壓力設在相當于 6000ft 的高度。

2013年6月14日空客研制的新型超寬體 A-350 XWB 客機成功首飛這是繼波音的B-787“夢想”飛機之后，全球航空業界的又一個亮點。A-350 XWB 和 B-787 飛機的復合材料用量分別達到 52%和 50%，這標志著航空航天復合材料發展新的里程碑，表明新的發展時期已經拉開序幕。

555 座的世界最大飛機 A-380 由于 CFRP 的大量使用，創造了飛行史上的奇跡。飛機25%質量的部件由復合材料制造，其中 22%為碳纖維增強塑料(CFRP)，3%為首次用于民用飛機的 GLARE 纖維-金屬板(鋁合金和玻璃維超雜復合材料的層狀結構)。這些部件包括:減速板、垂直和水平穩定器(用作油箱)、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機身、水平尾翼和副翼均采用 CFRP 制造。 繼A-340 對碳纖維龍骨梁和復合材料后密封框一復合材料用于飛機的密封禁區發起挑戰后，A-380 又一次對連接機翼與機身主體結構中央翼盒新的禁區發起了成功挑戰。僅此一項就比最先進的鋁合金材料減輕質量 1.5t。由于CFRP 的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損，從而大大減少了油耗和排放，燃油的經濟性比其直接競爭機型要低 13%左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率最高的飛機低 15%~20%，成為第一個每乘客每百公里耗油少于 3L 的遠程客機。

法國達索航空公司最新推出的獵鷹 (Falcon)7X公務機可輕松飛到12000 m 高空，該機最大使用馬赫數為0.8，可載客 8 人，最大航程為10560 km(5700 海里):雷神公司推出的比奇首相1號超輕公務機巡航時速可達 835km，航程2759km，以上兩種輕型噴氣機均采用最先進的全復合材料機身。

日本新型運輸機 ALELEX上也使用了大量碳纖維復合材料。

中國在飛機設計生產方面也較多地使用了復合材料。例如北京航空制造工程研究所研制并生產的 QY8911/HT3 雙馬來亞胺單向碳纖維預浸料及其復合材料已用于飛機前機身段、垂直尾翼安定面、機翼外翼、阻力板、整流壁板等構件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C 熱塑性樹脂單向碳纖維預浸料及其復合材料，具有優異的抗斷裂韌性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲勞性能，適合制造飛機主承力構件，可在 120°C 下長期工作，已用于飛機起落架艙護板前蒙皮。

大量以碳纖維復合材料為部件的中國軍機“飛豹”飛機總長約 22.3m，翼展約 12.7m，最大起飛質量 28.4t，最大外掛質量約 6.5t，最大馬赫數 1.70，轉場航程約 3600km。該機的攻擊威力已超過“美洲虎”、“旋風”和蘇-24 等飛機，具備了第三代戰斗機的特點。

2.復合材料在飛機隱身方面的應用

近幾十年來，隱身復合材料的研究取得了長足進展，正朝著“薄、輕、寬(頻譜)、強 (耐沖擊、耐高溫)”方向發展。由于碳纖維增強復合材料不但是輕質高強的結構材料，還具有隱身的重要功能，如 CF/PEEK 或 CF/PPS 具有極好的寬峰吸收性能，能有效地吸收雷達波美國最先將隱身材料用在飛機上，用隱身材料最多的是 F-17 和 F-22 飛機。F117 的隱身涂層十分復雜，有 7 種材料之多。

美國的 F-22 超音速飛機的主要結構就是采用了中等模量的碳纖維增強的特種工程塑料?；糜阿髴鸲窓C的減速降落傘蓋和彈射的彈射裝置也由這種材料制成，已成功地用于飛機的肋條、蒙皮及一些連接件、緊固件等雷達波的吸收件。戰斧式巡航導彈殼體、B-2 隱形轟炸機的機身基材，F-117A 隱形飛機的局部也都采用了碳纖維改性的高分子吸波材料。

2000 年，美空軍對 F-117 的隱身材料進行更新，將原來的 7 種隱身材料涂層更換為1種，全部 F-117 將具有通用的維修程序和達波吸收材料，技術規程的數量減少大約 50%。改進后 F-117 每飛行 1小時的維修時間縮短一半以上，全部 52架F-117 的年維護費用從1450 萬美元降至 690 萬美元。F-22 不采用全機涂覆吸波涂層的方法，但在機身內外的金屬件上全部采用了鐵氧體吸波涂層，它是一種有韌性的耐磨涂料，較之 F-117 的涂料易于噴涂且耐磨。

專家預測到 21 世紀 30 年代，導電高分子電致變色材料、雜化物半導體材料、納米復合材料和智能隱身等復合材料將實際用于飛機，它將使飛機的航電系統及控制方式發生根本性的變化。

內容來源：《航空復合材料及其力學分析》崔海濤 孫志剛 編著