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作者：原来什么都不懂 发表于：2010-07-19 11:01:04 在飞机、发动机结构材料家族中，复合材料是一位新成员。材料科学的发展造就了高强度、高模量、低比重的碳纤维，从而掀开了先进复合材料时代的序幕。日本于1959年首先发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维，并于20世纪60年代初将其投入工业化生产；70年代中期以碳纤维为增强相的先进复合材料诞生。航空用的复合材料种类不少，其中的绝对主力就是树脂基碳纤维复合材料。因为碳纤维是目前已知的比强度、比刚度最好的材料。它比铝还要轻，比钢还要硬，其比重是铁的四分之一，比强度是铁的十倍；而且化学组成非常稳定，还具有高抗腐蚀性，适用于航空和航天飞行器。 碳纤维增强复合材料通常以环氧树脂基复合材料为代表。对航空结构而言，这种复合材料的压缩强度(Compression Strength)和韧性(冲击后压缩强度，简称 CAI/Compression After Impact strength)已成为代别的主要指标，目前已发展到第三代，并已广泛进入军民机产品。 在航空复合材料应用的进程中，军机、民机、直升机、无人机各自走过相似的发展道路。军机上复合材料的应用大致可分为三个阶段。 第一阶段，复合材料主要用于舱门、口盖、整流罩以及襟副翼、方向舵等操纵面上，受力较小，制件尺寸较小，大约于20世纪70年代初即已实现； 第二阶段，复合材料开始应用于垂尾、平尾等受力较大、尺寸较大的尾翼级部件，其中，美国F-14战斗机在1971年把硼纤维增强的环氧树脂复合材料成功应用在平尾上，被称为复合材料史上的一个里程碑。自20世纪70年代初至今，国外军机尾翼级的部件均已用复合材料制造。 第三阶段，复合材料进入机翼、机身等受力大、尺寸大的主要承力结构中。其中，美国原麦道飞机公司于1976年率先研制了F/A-18的复合材料机翼，把复合材料的用量提高到了13%，成为复合材料史上的又一个重要里程碑。此后，国外军机群起仿效，几乎都采用了复合材料机翼。目前世界军机上复合材料用量约占全机结构重量的 20%～50%不等。 民机既强调安全性也强调经济性，同样对结构减重有迫切需求。以美国为例，复合材料在大型民机上的应用，大致走过了四个阶段，体现了循序渐进的原则。 第一阶段，复合材料主要应用在受力很小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件，该阶段于上世纪70年代中期实现。 第二阶段，受力较小的部件如升降舵、方向舵、襟副翼等开始应用复合材料制造，该阶段约于80年代中期结束。我国ARJ21新支线飞机的复合材料技术水平大致在这个阶段。 第三阶段，复合材料应用在受力较大的部件，主要是垂尾、平尾等，如波音公司B777的复合材料垂尾、平尾。波音777共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%。 第四阶段，复合材料应用于飞机最主要受力部件机翼、机身等，如波音公司的B787“梦想”飞机，代表了飞机结构复合材料化的发展趋势。波音787飞机共使用复合材料50%，超过了铝、钛、钢金属材料的总和，主要应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位，是第一个采用复合材料机翼和机身的大型商用客机。 直升机包括军用、民用和轻型直升机三类，先进复合材料在各种直升机上的用量均很大。如V-22可垂直起落，倾转旋翼后又能高速巡航，该机结构的50%由复合材料制成，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等，共用复合材料3000多千克。美国武装直升机“科曼奇”(RAH- 66)共使用复合材料50%，欧洲最新的“虎”式武装直升机复合材料用量高达80%，接近全复合材料结构。我国与法国、新加坡合作研制的轻型直升机 EC120的机身、垂尾、水平安定面、尾翼、前舱等结构均由复合材料制成。 无人机包括无人作战机、无人侦察机和各种小型、微型、超微型无人机。军用无人机具有的低成本、轻结构、高机动、大过载、高隐身、长航程的技术特点，决定了其对减重的迫切需求，因此复合材料用量都很大，鲜明地体现了飞机结构复合材料化的趋势。美国波音公司X-45系列飞机复合材料用量达90%以上，诺斯罗普·格鲁门公司的X-47系列飞机基本上为全复合材料飞机。 航空发动机应用复合材料可以大幅度提高其推重比，因此先进复合材料已成为未来发动机关键材料之一。发动机除使用树脂基复合材料外，因温度要求的关系，还会用到金属基、陶瓷基、碳/碳等复合材料。 |
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