吳琨

摘要：隨著我國(guó)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)研發(fā)的重視，復(fù)合材料以比強(qiáng)度高、比模量大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性能等優(yōu)勢(shì)被運(yùn)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，研發(fā)人員不斷發(fā)掘先進(jìn)復(fù)合材料的潛力，提升復(fù)合材料的耐高溫性能和耐疲勞性能，以強(qiáng)化飛機(jī)材料結(jié)構(gòu)。本文闡述了先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用以及效益情況，期望能夠闡明先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展新趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)復(fù)合材料;飛機(jī)結(jié)構(gòu);應(yīng)用實(shí)踐

引言：我國(guó)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)70年代左右就開(kāi)始應(yīng)用復(fù)合材料，隨著復(fù)合材料不斷使用，促使復(fù)合材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模越來(lái)越大，復(fù)合材料逐漸成為穩(wěn)定成熟的飛機(jī)制作材料，現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的用量也越來(lái)越大，從最初在受力較小的構(gòu)件上使用復(fù)合材料，發(fā)展到現(xiàn)在機(jī)翼、機(jī)身等受力較大的位置廣泛使用復(fù)合材料。

1概述

1.1 先進(jìn)復(fù)合材料概念

先進(jìn)復(fù)合材料（Advanced Composite Materials，簡(jiǎn)稱(chēng)ACM） 是指用高性能碳纖維作為增強(qiáng)相，以先進(jìn)樹(shù)脂作為基體材料的材料，該類(lèi)材料比強(qiáng)度高、比模量大，被運(yùn)用到主承力結(jié)構(gòu)或者是次承力結(jié)構(gòu)當(dāng)中。從材料特性上來(lái)看，先進(jìn)復(fù)合材料材料的重量較輕，強(qiáng)度高，具備較好的抗熱和抗腐蝕性能，并以其優(yōu)異的性能成為繼鋁合金、鋼、鈦合金之后的第四大航空結(jié)構(gòu)材料，日益廣泛地應(yīng)用于航空航天等現(xiàn)代高科技領(lǐng)域。

從用途角度可以將先進(jìn)復(fù)合材料劃分為兩種類(lèi)型：1）結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其主要是被運(yùn)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，該種類(lèi)型的復(fù)合材料具備較為優(yōu)異的力學(xué)特性;2）功能復(fù)合材料，該類(lèi)材料主要用于光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)以及熱、磁等領(lǐng)域，具備如吸波、透波、隔熱、導(dǎo)電、摩擦、阻燃等功能，具有較好的發(fā)展前景。

1.2 復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)

1.輕質(zhì)化。在航空領(lǐng)域中飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重尤為重要，碳纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)解決了這個(gè)難題，使用碳纖復(fù)合材料有助于減輕機(jī)體的重量，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上每使用1公斤的碳纖維復(fù)合材料，就會(huì)減輕五百公斤的質(zhì)量，復(fù)合材料的應(yīng)用可使飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重10%-40%，這對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)飛向更高的空域提供了可能，而且可以大大的減少飛行中的燃料消耗。

2.高強(qiáng)度。復(fù)合材料的強(qiáng)度是鋼材強(qiáng)度的五倍，是鋁合金的四倍。

3.抗高溫性。能在飛機(jī)飛行初期，有較強(qiáng)的初速度，在較強(qiáng)初速的影響下會(huì)產(chǎn)生空氣摩擦，所以要求飛機(jī)必須具有抗髙溫的外層保護(hù)。復(fù)合材料出色的耐熱性可以承受兩千攝氏度以上的高溫，減少高熱帶來(lái)的沖擊，可以對(duì)航天航空飛行器的外圍起到保護(hù)作用。在航天飛機(jī)進(jìn)入對(duì)流層時(shí)由于氣溫下降，受熱脹冷縮的影響較大，這會(huì)大大影響航天飛機(jī)的零件，而碳纖維復(fù)合材料有較好的低熱膨脹性能，在零部件外層涂抹會(huì)減輕零部件的變形。

4.抗腐蝕性能。飛行器在高空中飛行時(shí)，由于環(huán)境復(fù)雜，受腐蝕和輻射性加強(qiáng)，碳纖維復(fù)合材料在抗腐蝕與輻射上具有很好地性能，大大的保護(hù)了飛行的安全，延長(zhǎng)了飛機(jī)的使用壽命。環(huán)境優(yōu)化復(fù)合材料的應(yīng)用可使飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本降低15%-30%，面對(duì)較高的燃油價(jià)格和越來(lái)越嚴(yán)格的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用有效解決了當(dāng)前所面臨的高油價(jià)及環(huán)境污染嚴(yán)重的困擾。

2 先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用

先進(jìn)復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，且設(shè)計(jì)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)，被大量應(yīng)用到軍用飛機(jī)和民用飛機(jī)的結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

2.1先進(jìn)復(fù)合材料在軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

國(guó)外20世紀(jì)70年代初期將先進(jìn)復(fù)合材料在軍用飛機(jī)，學(xué)者發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在受力方面性能優(yōu)異，認(rèn)為該種材料的性能能夠滿(mǎn)足飛機(jī)艙門(mén)、方向舵以及襟副翼等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。1971年，硼/環(huán)氧復(fù)合材料被運(yùn)用到F-14飛機(jī)的平尾結(jié)構(gòu)當(dāng)中，標(biāo)志著先進(jìn)復(fù)合材料在軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)用的又一次跨越。此后，在F-15、F-16等系列飛機(jī)中都采用了先進(jìn)復(fù)合材料作為尾翼的次承力部件。20世紀(jì)80年代，學(xué)者們開(kāi)始研究將先進(jìn)復(fù)合材料運(yùn)用到飛機(jī)垂尾以及平尾等設(shè)計(jì)當(dāng)中，將其作為次承力部件。從1976年以后，美國(guó)公司在F/A-18飛機(jī)的機(jī)翼中成功使用了復(fù)合材料，該研究成果標(biāo)志著先進(jìn)復(fù)合材料在軍用飛機(jī)中應(yīng)用的又一進(jìn)步，先進(jìn)復(fù)合材料開(kāi)始被運(yùn)用到機(jī)身結(jié)構(gòu)和機(jī)翼結(jié)構(gòu)等主承力結(jié)構(gòu)當(dāng)中，其具備較強(qiáng)的受力能力，且受力規(guī)模也比較大。圖1為先進(jìn)復(fù)合材料在軍用飛機(jī)的使用比例。如今，世界各國(guó)的軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中都采用了先進(jìn)復(fù)合材料，其用量已經(jīng)占據(jù)了整個(gè)軍用飛機(jī)質(zhì)量的20%-50%。

2.2 先進(jìn)復(fù)合材料在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

復(fù)合材料在民用飛機(jī)的應(yīng)用始于20世紀(jì)40年代初，英國(guó)首先利用GFRP透波性好的特點(diǎn)來(lái)制造機(jī)載雷達(dá)罩。事實(shí)上，先進(jìn)復(fù)合材料在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也經(jīng)歷了四個(gè)階段：第一階段應(yīng)用到受力比較小的飛機(jī)前緣、整流罩等部位;第二階段是用到方向舵以及升降舵等部件的構(gòu)造當(dāng)中;第三階段是用到客機(jī)垂尾部位等次承力部位;第四階段則用到機(jī)翼以及機(jī)身等主承力部位。近年來(lái)，受殘酷的競(jìng)爭(zhēng)因素驅(qū)動(dòng)，在民用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)當(dāng)中，先進(jìn)復(fù)合材料被視為實(shí)現(xiàn)新飛機(jī)機(jī)體減重及降低直接運(yùn)營(yíng)成本的有效途徑，其用量如圖2所示，先進(jìn)復(fù)合材料在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用量已經(jīng)上升到了40-50%。

3 先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用效益分析

先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)當(dāng)中具備較為明顯的減重效益和功能效益，如碳纖維復(fù)合材料，其密度僅1.6g/cm3，而在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用碳纖維復(fù)合材料來(lái)替代合金材料，同等規(guī)格的飛機(jī)在理論上可以降低42%的重量，該種效益對(duì)于飛機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)講是任何其他設(shè)計(jì)理念或者是生產(chǎn)技術(shù)都無(wú)法達(dá)到的效果。軍用飛機(jī)中采用先進(jìn)復(fù)合材料能夠讓飛機(jī)的重量大幅度減少，同時(shí)先進(jìn)復(fù)合材料還具有吸波和透波等功能，可有效延長(zhǎng)作戰(zhàn)半徑和提高生存能力;而在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中采用先進(jìn)復(fù)合材料可減輕機(jī)體重量，提高航程，降低油耗，能夠?yàn)楹娇展編?lái)更高的經(jīng)濟(jì)收益。此外，由于復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)拓了新思路，如利用先進(jìn)復(fù)合材料達(dá)到抗震、抗腐蝕以及抗疲勞等效果，充分發(fā)揮出先進(jìn)復(fù)合材料的優(yōu)異功能，最大限度提升飛機(jī)的使用效能。

結(jié)束語(yǔ)

先進(jìn)復(fù)合材料的前景是廣闊的，隨著復(fù)合材料技術(shù)的迅速發(fā)展， 在飛機(jī)上的應(yīng)用也將與日俱增，隨著復(fù)合材料技術(shù)已趨成熟，經(jīng)驗(yàn)在不斷積累，由于復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、性能可剪裁等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域仍具有持續(xù)發(fā)展的潛力。目前，我國(guó)正在大力發(fā)展軍用飛機(jī)和民用飛機(jī)等項(xiàng)目，急需先進(jìn)復(fù)合材料，雖然我國(guó)復(fù)合材料逐漸形成體系，已經(jīng)滿(mǎn)足了部分型號(hào)的技術(shù)要求，但總體上與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距，需加大先進(jìn)復(fù)合材料的研制和創(chuàng)新，從而增強(qiáng)我國(guó)在世界航空工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)

[1]宋吉.基于高分子復(fù)合材料的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件研究進(jìn)展[J].塑料工業(yè)，2018，46（10）：24-28.