復(fù)合材料及其在航空零部件領(lǐng)域的應(yīng)用

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上具有不同物理、化學(xué)性質(zhì)的材料，以微觀、介觀或宏觀等不同的結(jié)構(gòu)尺度與層次，經(jīng)過復(fù)雜的空間組合而形成的新型材料。目前，航空復(fù)材零部件制造業(yè)所使用的復(fù)合材料主要為碳纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料。復(fù)合材料相比金屬材料的特點(diǎn)主要有：

（1）比強(qiáng)度和比模量較高

復(fù)合材料表現(xiàn)出與金屬材料不同的力學(xué)性能特征，比強(qiáng)度是指材料強(qiáng)度與密度的比值，比模量是指材料彈性模量與密度的比值，高比強(qiáng)度和比模量意味著較少的材料能承受較高的載荷。由上表可知高強(qiáng)度復(fù)合材料的比強(qiáng)度是鈦合金的近5倍，比模量是鈦合金的近4倍，遠(yuǎn)超金屬材料，因此在相同的強(qiáng)度要求下，使用高強(qiáng)度復(fù)合材料相比金屬材料能大幅降低航空器結(jié)構(gòu)重量，增加航空器航程，充分體現(xiàn)出節(jié)能減排的效益。

（2）各向異性和性能可設(shè)計(jì)性

層壓復(fù)合材料是由單向預(yù)浸帶逐層疊合并固化而成的，宏觀上表現(xiàn)出非均勻性和各向異性。單向帶沿纖維方向的性能與垂直纖維方向的性能差別很大，因此按不同的方向鋪設(shè)不同比例的單向帶，可以設(shè)計(jì)出不同性能的層壓板來滿足不同的結(jié)構(gòu)要求，這種性能可設(shè)計(jì)性也叫性能“剪裁"。通過這種“剪裁”，可以使復(fù)合材料的效率充分發(fā)揮。例如在主承力方向，可以適當(dāng)增加纖維含量比例以達(dá)到提高承載能力的效果，而不需要額外增加結(jié)構(gòu)的重量。各向異性也給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和制造增加了困難，這是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一。

（3）損傷、斷裂和疲勞

復(fù)合材料的各向異性、脆性和非均質(zhì)性，特別是層間性能遠(yuǎn)低于層內(nèi)性能等特點(diǎn)，使復(fù)合材料層壓板的失效機(jī)理與金屬完全不同，因而它們的損傷、斷裂和疲勞性能也有很大差別。另外，復(fù)合材料構(gòu)件制造目前主要靠人工鋪疊和熱壓成形，再加上加工、運(yùn)輸過程中可能受到的外來物沖擊，其制件會(huì)比金屬制件更易帶有程度不等的缺陷或損傷。

（4）環(huán)境影響

除了極高的溫度，一般不考慮濕熱對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度的影響，但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)必須考慮濕熱環(huán)境的聯(lián)合作用。這是因?yàn)閺?fù)合材料的基體通常為高分子材料，濕熱的聯(lián)合作用會(huì)降低其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（使用上限溫度），從而引起由基體控制的力學(xué)性能（如壓縮、剪切等）的明顯下降。

（5）導(dǎo)電性

金屬有著良好的導(dǎo)電性，復(fù)合材料的導(dǎo)電性則差得多。因此對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須有專門的防雷擊措施，油箱部位要有專門的防靜電設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)安裝大量?jī)x器儀表的設(shè)備艙和雷達(dá)罩，要進(jìn)行特殊的電磁相容性設(shè)計(jì)。

綜上，復(fù)合材料在航空器應(yīng)用的最主要原因在于減輕航空器重量、增加航程，同時(shí)復(fù)合材料還具備耐腐蝕性、可設(shè)計(jì)性、抗疲勞性、熱膨脹系數(shù)低、電磁屏蔽性好等優(yōu)點(diǎn)；但是復(fù)合材料同時(shí)存在材料昂貴、在濕熱條件下性能降低、易發(fā)生沖擊損傷等劣勢(shì)。