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一、綜述

由于復(fù)合材料質(zhì)量輕、具有較高的比強(qiáng)度、比模量以及較好的延展性、抗腐蝕、導(dǎo)熱、隔熱、隔音、減振、耐高（低）溫、耐燒蝕、透電磁波, 吸波隱蔽性、可設(shè)計(jì)性、制備的靈活性和易加工性等特點(diǎn)，是制造飛機(jī)、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。

自從先進(jìn)復(fù)合材料投入航空航天應(yīng)用以來，有三件值得一提的成果。第一件是美國(guó)全部用碳纖維復(fù)合材料制成一架八座商用飛機(jī)-里爾2100號(hào)并試飛成功；第二件是采用大量先進(jìn)復(fù)合材料制成的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)，這架航天飛機(jī)用碳纖維/環(huán)氧樹脂制作長(zhǎng)18.2m、寬4.6m的主貨艙門，用凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂制造各種壓力容器。在這架代表近代最尖端技術(shù)成果的航天飛機(jī)上使用了樹脂、金屬和陶瓷基復(fù)合材料；第三件是使用了先進(jìn)復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)，制造了可載80人的波音-767大型客運(yùn)飛機(jī)，不僅減輕了重量，還提高了飛機(jī)的各種飛行性能。

復(fù)合材料在這幾個(gè)飛行器上的成功應(yīng)用，表明了復(fù)合材料的良好性能和技術(shù)的成熟，對(duì)于復(fù)合材料在重要工程結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用是一個(gè)極大的推動(dòng)。

圖1 龐巴迪里爾45XR商務(wù)飛機(jī)

圖2 哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)（右上角為失事現(xiàn)場(chǎng)圖片）

圖3 波音767

二、航空領(lǐng)域（固定翼飛機(jī)，直升機(jī)，特種飛行器）

先進(jìn)復(fù)合材料用于加工主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)、其剛度和強(qiáng)度性能相當(dāng)或超過鋁合金的復(fù)合材料。目前被大量地應(yīng)用在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)制造上和小型無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)制造上。

飛機(jī)用復(fù)合材料經(jīng)過近40年的發(fā)展，已經(jīng)從最初的非承力構(gòu)件發(fā)展到應(yīng)用于次承力和主承力構(gòu)件，可獲得減輕質(zhì)量（20-30）% 的顯著效果。目前已進(jìn)入成熟應(yīng)用期，對(duì)提高飛機(jī)技戰(zhàn)術(shù)水平、可靠性、耐久性和維護(hù)性已無可置疑，其設(shè)計(jì)、制造和使用經(jīng)驗(yàn)已日趨豐富。迄今為止戰(zhàn)斗機(jī)使用的復(fù)合材料占所用材料總量的30%左右，新一代戰(zhàn)斗機(jī)將達(dá)到40%；直升機(jī)和小型飛機(jī)復(fù)合材料用量將達(dá)到（70-80）%左右, 甚至出現(xiàn)全復(fù)合材料飛機(jī)。“科曼奇”直升機(jī)的機(jī)身有70% 是由復(fù)合材料制成的，但仍計(jì)劃通過減輕機(jī)身前下部質(zhì)量以及將復(fù)合材料擴(kuò)大到配件和軸承中，以使飛機(jī)再減輕15%的質(zhì)量。“阿帕奇”為了減輕質(zhì)量，將采用復(fù)合材料代替金屬機(jī)身。

近10年來，國(guó)內(nèi)飛機(jī)上也較多的使用了復(fù)合材料。例如由國(guó)內(nèi)3家科研單位合作開發(fā)研制的某殲擊機(jī)復(fù)合材料垂尾壁板，比原鋁合金結(jié)構(gòu)輕21kg，減重30%。北京航空制造工程研究所研制并生產(chǎn)的QY8911/HT3。雙馬來酰亞胺單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料已用于飛機(jī)前機(jī)身段、垂直尾翼安定面、機(jī)翼、阻力板、整流壁板等構(gòu)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(yù)浸料及其復(fù)合材料具有優(yōu)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(jī)主承力構(gòu)件，可在120℃下長(zhǎng)期工作，已用于飛機(jī)起落架艙護(hù)板前蒙皮。

據(jù)波音公司估算，噴氣客機(jī)質(zhì)量每減輕1kg，飛機(jī)在整個(gè)使用期限內(nèi)即可節(jié)省2200美元。

2.1 固定翼飛機(jī)

1）國(guó)外

國(guó)外大飛機(jī)復(fù)合材料使用情況可以通過以下圖片展示出來：

圖4-7 國(guó)外大型飛機(jī)復(fù)合材料使用情況

輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)（Light sport aircraft，LSA）是美國(guó)FAA于2004年提出的一種飛機(jī)分類名稱。這類飛機(jī)最大起飛重量不超過600 kg（水上起降的飛機(jī)，最大起飛重量不超過650kg），最大平飛速度不超過222 km/h，失速速度不超過83 km/h，與傳統(tǒng)的通用飛機(jī)失速不相上下，但耗油量減半，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的通用飛機(jī)。單座或者雙座，固定起落架，使用不可變槳矩，或只能地面調(diào)整槳矩的螺旋槳，動(dòng)力裝置限定為一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，或活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)對(duì)于維修方面的限制很少，可以由傳統(tǒng)的飛機(jī)維修技術(shù)人員來維修和檢查，可以由有修理輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)資格的個(gè)人來維修，有些情況下也可以由飛行員或者所有者來檢查和維修。

與客機(jī)和軍用飛機(jī)相比，輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的尺寸比較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用環(huán)境溫和，適航標(biāo)準(zhǔn)也更寬松，所以復(fù)合材料在輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)上的應(yīng)用所受到的限制很小，并且制造成本更低。輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)一般復(fù)合材料用量超過70%，屬于全復(fù)合材料飛機(jī)。復(fù)合材料具有重量輕、高強(qiáng)度、高模量、結(jié)構(gòu)功能一體化和設(shè)計(jì)制造一體化、易于成大型制品等優(yōu)點(diǎn)，采用復(fù)合材料的部件可在滿足同樣強(qiáng)度要求的情況下，比金屬材料的部件更輕。

美國(guó)研制的Lear Fan2100型飛機(jī)，是世界上第一架以先進(jìn)復(fù)合材料為主的全復(fù)合材料飛機(jī)，主要以CFRP和KFRP為主，結(jié)構(gòu)減重達(dá)40%。中、法、新合作研制的輕型直升機(jī)EC120，除旋翼槳葉外，機(jī)身、垂尾、尾梁、水平安定面等多處結(jié)構(gòu)也都用了復(fù)合材料。美國(guó)AASI公司研制的JETCRUZER500型6座公務(wù)機(jī)，其整個(gè)機(jī)身有碳/環(huán)氧復(fù)合材料制成。

圖8 Lear Fan2100型飛機(jī)

輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)市場(chǎng)很大，相關(guān)的制造商和機(jī)型也很多，目前該領(lǐng)域主要集中在歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家，知名的制造公司有美國(guó)塞斯納飛機(jī)公司、西瑞設(shè)計(jì)公司（已被中航通飛收購(gòu)）、奧地利鉆石飛機(jī)公司、德國(guó)飛行設(shè)計(jì)公司等。其中德國(guó)飛行設(shè)計(jì)公司（Flight Design GmbH）是全球領(lǐng)先的、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)輕型運(yùn)動(dòng)類飛機(jī)的專業(yè)廠家，所開發(fā)的CT系列輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)基本均采用碳纖維復(fù)合材料機(jī)身。德國(guó)Remos飛機(jī)公司的生產(chǎn)的Remos飛機(jī)大部分是碳纖維復(fù)合材料，機(jī)翼是全碳纖維制造，重量輕，線條圓滑。該機(jī)型可能是目前為止制造工藝最先進(jìn)的輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)機(jī)型。奧地利鉆石飛機(jī)公司DA42“雙子星”飛機(jī)機(jī)翼等主要部件均采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

國(guó)外軍機(jī)復(fù)合材料使用情況如下圖所示：

圖13 國(guó)外軍機(jī)復(fù)合材料使用情況

2）國(guó)內(nèi)

運(yùn)-10（Y-10）是由上海飛機(jī)制造廠研制的四發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣式運(yùn)輸機(jī)，是中國(guó)首次自行研制、自行制造的大型噴氣式客機(jī)，基于當(dāng)時(shí)的工業(yè)基礎(chǔ)和條件，運(yùn)-10基本沒有采用復(fù)合材料件。

中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司研制的雙發(fā)動(dòng)機(jī)支線客機(jī)ARJ21翔鳳客機(jī)，翼梢及次要結(jié)構(gòu)件使用國(guó)產(chǎn)碳纖維減重。

C919是中國(guó)自主設(shè)計(jì)的第二款國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)。該機(jī)機(jī)翼，水平尾翼，中央翼盒使用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。

下面幾張圖是波音公司在中國(guó)的轉(zhuǎn)包情況：

圖17 波音737中國(guó)轉(zhuǎn)包情況

哈飛公司向空客集團(tuán)成員和/或空客指定的供應(yīng)商提交及交付空客A350及空客A320系列復(fù)合材料飛機(jī)零部件；參與現(xiàn)在或?qū)砜湛惋w機(jī)項(xiàng)目的研究、開發(fā)、工業(yè)化及批量生產(chǎn)；為空客所指定的第三方制造、銷售、經(jīng)銷和配送復(fù)合材料飛機(jī)零部件。公司與空客及其一級(jí)供應(yīng)商簽訂了7個(gè)工作包合同，包括A320升降舵、方向舵、平尾梁和A350升降舵、方向舵、機(jī)腹整流罩、勤務(wù)艙門等。

在國(guó)內(nèi)，民機(jī)可以采用國(guó)際采購(gòu)的方式來彌補(bǔ)技術(shù)上的差距，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、部分機(jī)載設(shè)備、零部件和材料都可以采用這種方式。但是民機(jī)制造中仍有許多東西是用錢買不來的，如飛機(jī)的總體設(shè)計(jì)能力，尤其是集成能力得靠經(jīng)驗(yàn)上的累積。又如電傳操作，這是核心技術(shù)，空客在這個(gè)方面已比較成熟，波音777也采用了電傳操作技術(shù)，其中有些還是光傳技術(shù)，這種技術(shù)人家是不會(huì)賣給我們的，只有靠自己研發(fā)。

近年來國(guó)內(nèi)眾多單位也逐漸開展了輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的研制工作，取得了一定的成果。2011年9沈飛公司與美國(guó)賽斯納飛機(jī)公司簽署合作協(xié)議，研制生產(chǎn)的我國(guó)第一架以鋁合金機(jī)體為主的塞斯納162輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)，并成功首飛。

2012年南昌航空大學(xué)和珠海強(qiáng)恩玻璃鋼制品有限公司聯(lián)合研制的"紅嘴歐"運(yùn)動(dòng)飛機(jī)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用碳纖維、玻璃纖維、環(huán)氧樹脂、夾芯材料等制造成型，機(jī)身機(jī)翼等主體結(jié)構(gòu)使用碳纖維復(fù)合材料，部分隔板為玻璃纖維復(fù)合材料。局部采用夾芯結(jié)構(gòu)，外面蒙上碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料表板，飛機(jī)結(jié)構(gòu)90%為復(fù)合材料，使得飛機(jī)重量輕，強(qiáng)度好。

波東風(fēng)飛機(jī)有限公司自主研制了DF2型復(fù)合材料雙座輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)（如圖24所示），于2008年7月進(jìn)行了試飛。DF2型飛機(jī)主要承力結(jié)構(gòu)均采用碳纖維材料，設(shè)計(jì)起點(diǎn)比較高，但仍然需要進(jìn)一步的完善。

2013年6月由沈陽航空航天大學(xué)自主研制的電動(dòng)雙座輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)在沈陽法庫財(cái)湖機(jī)場(chǎng)成功首飛。這款新型清潔能源飛機(jī)以鋰電池為能源，運(yùn)用全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)體，與傳統(tǒng)油動(dòng)飛機(jī)相比，具有造價(jià)低廉、節(jié)能環(huán)保、安全實(shí)用的特點(diǎn)。遼寧太平洋航空工業(yè)有限公司引進(jìn)美國(guó)設(shè)計(jì)的KIS-2，KIS-4均為復(fù)合材料的2座和4座輕型飛機(jī)，其結(jié)構(gòu)以玻璃鋼為主，局部如機(jī)翼大梁，平尾等處就用了碳纖維復(fù)合材料。

目前，復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在輕型飛機(jī)上應(yīng)用最為廣泛。夾層結(jié)構(gòu)通常是用比較薄的板材作面板，比較厚的密度小的材料作芯子膠接而成，如蜂窩夾層結(jié)構(gòu)或泡沫夾層結(jié)構(gòu)。

2.2 直升機(jī)

1）直升機(jī)起落架

滑橇式直升機(jī)起落架，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，性能可靠，不易損壞，主要依靠結(jié)構(gòu)的彈性變形來吸收著陸能量?？梢园惭b浮筒，用于水面或其它特殊場(chǎng)地起降，在飛機(jī)速度慢、起飛重量輕、場(chǎng)地易于保證、后勤較薄弱的民用領(lǐng)域有很大優(yōu)勢(shì)。

目前較多采用金屬基復(fù)合材料。和所有纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一樣，金屬基復(fù)合材料通過使用不同的纖維、基體和調(diào)整纖維容量來達(dá)到某一特性，或進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

但目前，金屬基復(fù)合材料的最大缺點(diǎn)是其纖維韌性低、工藝生產(chǎn)成本高、工藝很不成熟，難以達(dá)到批量生產(chǎn)，并且價(jià)格昂貴。而且使用金屬基復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須仔細(xì)考慮連接方式、載荷傳遞路徑和易損壞部位，從而估算節(jié)約重量的潛力，因此增加了設(shè)計(jì)的難度。金屬基復(fù)合材料吸震性能差，使用該種材料做起落架，必須設(shè)置復(fù)雜的減震裝置，增加了機(jī)身的重量和成本。

碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有綜合的優(yōu)良性能，更適合于用作直升機(jī)起落架材料。可以根據(jù)起落架的不同要求對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以根據(jù)受力情況合理選擇成型工藝、材料的牌號(hào)、布置增強(qiáng)材料，以達(dá)到節(jié)約成本、減輕質(zhì)量的目的。

2）直升機(jī)槳葉

直升機(jī)技術(shù)、特別是旋翼技術(shù)的迅猛發(fā)展，很重要的一點(diǎn)是得益于復(fù)合材料的應(yīng)用。復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)在旋翼槳葉上得到了充分的發(fā)揮，它為旋翼槳葉氣動(dòng)外形的改進(jìn)和優(yōu)化、旋翼動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)化提供了可能。更重要的是復(fù)合材料使在交變載荷作用下的旋翼壽命大幅度提高，并能做到“視情維護(hù)”。這不僅提高了直升機(jī)的安全性，而且使槳葉制造成本大大降低，由此帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

3）直升機(jī)槳轂

同槳葉相比，槳轂的復(fù)合材料化相對(duì)比較困難，但也已取得了突破性進(jìn)展。法國(guó)宇航公司于70年代后期研制成功的星形柔性槳轂就是復(fù)合材料在旋翼槳轂上應(yīng)用的首次突破，緊接著各國(guó)紛紛開始復(fù)合材料無軸承槳轂的研究和試驗(yàn)，使旋翼結(jié)構(gòu)全復(fù)合材料化成為可能。這是直升機(jī)技術(shù)發(fā)展的一次革命。

4）直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

復(fù)合材料在傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用也已提上日程, 波音、麥道、卡曼直升機(jī)公司都已進(jìn)行了大量的研究工作，波音公司已在其360直升機(jī)上采用石墨纖維和玻璃纖維混合纏繞的旋翼軸、減速器殼體等獲得成功，其壽命是無限的，而重量減輕25%。

5）直升機(jī)機(jī)身

近年來復(fù)合材料在機(jī)身上的應(yīng)用也有很大進(jìn)展，第一架試飛的全復(fù)合材料機(jī)身是西科斯基公司的S275直升機(jī)，隨后試飛的有貝爾公司全復(fù)合材料機(jī)身的D2292直升機(jī)和波音直升機(jī)公司的波音-360直升機(jī)等。這些直升機(jī)與原準(zhǔn)機(jī)相比在機(jī)身重量、生產(chǎn)成本、可靠性和維護(hù)性方面均有可觀的得益。

2.3 特種飛行器（由于數(shù)量種類繁多，在此僅以無人機(jī)為例）

無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要包括層壓板結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu), 由于其很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性, 在結(jié)構(gòu)部件的整體設(shè)計(jì)中可以大大減少無人機(jī)零、部件數(shù)量, 典型的應(yīng)用為翼身融合結(jié)構(gòu)，見圖32-圖33。

無人機(jī)上用的結(jié)構(gòu)有夾層結(jié)構(gòu)以及層壓板結(jié)構(gòu)，如機(jī)身結(jié)構(gòu)由縱向梁凸緣、蒙皮和橫向框組成，如圖34所示；其中蒙皮為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，梁凸緣多為復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)。翼面則多為夾層板梁式結(jié)構(gòu)、夾層壁板墻式結(jié)構(gòu)、全高度泡沫夾芯結(jié)構(gòu)、蒙皮空腔結(jié)構(gòu)和夾層盒結(jié)構(gòu)等，

無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件用的增強(qiáng)材料主要有碳纖維、玻璃纖維等, 而樹脂體系則主要有環(huán)氧樹脂體系和雙馬來酰亞胺樹脂體系, 前者工藝性較好, 后者耐溫性能較好。

無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造方法主要有熱壓罐成型、真空袋成型和模壓成型。

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