先进复合材料在飞机上的应用及其制造技术发展

先进复合材料在飞机上的应用及其制造技术发展

景新荣

陕西省西安市中航飞机股份有限公司 陕西西安 710089

摘要：近年来，随着我国社会经济水平的快速发展，我国科研技术水平得到了提升，特别是在先进复合材料的研究中取得了巨大的进步。本文主要论述先进复合材料在飞机上的应用及其制造技术的发展。

关键词：先进复合材料；制造技术；发展

前言：复合材料相对于单一性的材料而言，其性能以及使用功能更加强大，复合材料主要是由两种或者两种以上的材料进行构成的，使得复合材料的功能相对较多。复合材料不仅包含了化学性质还包含了物理性质，并且有一些复合材料能够承受载荷，并与增强型材料进行连接，当前的复合型材料基体包含了不同种性质，有金属、树脂以及无机非金属。而且有些材料可以有效地应用到飞机结构上，从而提升飞机的结构质量。本文主要论述先进复合材料在飞机上的应用及其制造技术的发展。

一、先进复合材料在飞机上的应用

（一）应用的范围和频率越来越高

先进复合材料在国外最先的应用过程中，主要是用于军用飞机的结构上。在最早对先进复合材料进行研究的过程中，相关研究人员发现，先进复合型材料具备着极强的承受能力，该种材料能够制作飞机的舱门以及方向舵等结构。随着研究技术水平的不断提升，相关研究人员将先进的复合材料应用于飞机的垂尾以及平尾的结构中，并且是将材料作用于承力部件中。随着时代的不断发展，复合材料有效地应用在了飞机的平尾制作中，所使用的材料就是F-14硼/环氧复合材料。在该试验工程后，先进复合材料在飞机的应用中得到了全面地发展，也实现了时代的跨越。随后，先进复合材料在飞机结构上的应用范围逐渐扩大，甚至被应用到了F-15和F-16的飞机制作中，主要是将复合材料应用在尾翼的部件上。复合材料自身的密度相对较低，在军用型飞机上使用的过程中，平尾与垂尾在使用先进复合材料后，对于能源的消耗也会逐渐的降低。美国公司在对F/A-18飞机进行研制的过程中，就实现了对先进复合材料的使用，并且促进了复合材料在飞机上的应用进一步扩大。而后，先进复合材料在飞机机身上也得到了进一步应用，它不仅能够提升飞机的承载能力，同时也加强了飞机的受力能力。目前，先进复合材料在世界各大军、民机制造中都得到了大量的应用，并且在飞机研制的过程中，复合材料的应用量不断增大，已占据了总材料使用量的20%-50%左右。例如，在B-2型的飞机研究制作过程中，仅个别的部分结构采用了钛合金或者铝合金，其余部分全部使用了先进复合材料。

（二）增强飞机结构稳定性，减轻飞机质量

在飞机的研究与设计过程中，所应用的先进复合材料主要包含了三种，树脂基复合材料、金属基复合材料以及无机非金属基复合材料。在飞机制造的过程中，一般所使用的树脂基复合材料占比相对较少，仅为十分之一，该材料主要应用于飞机的机翼、尾翼等结构中。但在B787大型飞机的研究与制造过程中，所使用的材料大部分都采用了先进复合材料，而使用最多的就是碳纤维增强树脂基复合材料。该种材料是由碳纤维材料与树脂材料所组成，碳纤维增强树脂基复合材料不仅比强度高、比刚度大，而且也具备极大的稳定性，该材料主要应用于机身的蒙皮、地板梁以及机翼蒙皮当中。金属基复合材料与传统的金属材料相比，不仅比强度与比模量有所增加，而且即使在一定高温的环境下，也不会发生膨胀的现象，同时，金属基复合材料的耐磨性能也相对较高，可以有效的提升飞机的整体质量。

在飞机研制过程中，飞机发动机作为飞机的心脏，被誉为"工业之花"，它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性，因此，飞机发动机的材料选择非常重要，所选择的材料不仅需要耐高温，而且还需要具备一定的强度。

（三）用于制作飞机刹车盘和飞机蒙皮

在飞机结构中应用无机非金属基复合材料，因该材料不仅具备密度性低，而且具备较强的耐高温性，使得该材料在使用过程中，可以有效地提升使用寿命。当前无机非金属基复合材料在不断发展，欧美一些国家已经通过使用无机非金属基复合材料，研制出了新型的飞机刹车盘，由于飞机在飞行过程中，刹车盘会受到巨大的摩擦，导致温度上升，最高可以达到500℃。无机非金属基复合材料相对于一般的钢制材料具备着明显优势，在减轻飞机自身重量的同时，也具备着极强的耐温性。一般所使用的钢制型飞机刹车盘，在使用的过程中最多能够使用300次，而使用无机非金属基复合材料所制作的飞机刹车盘，则可以使用2000次左右。第二代航天复合材料也被称之为GLARE层板，该复合材料主要是由铝合金和高强度的玻璃纤维所组成的，不仅密度小，而且具有较强的抗破坏能力，也具有极高的强度，并且还含有较强的抗湿热性以及抗损伤性。在对该材料进行研究的过程中，对材料拉伸性以及抗疲劳性进行了简单的试验，通过人为在该材料上制造裂缝，并且通过空中飞行对该材料进行测试，其材料并未受到任何的损伤，而且裂缝也未增加，因此，并且GLARE材料可用来制作飞机蒙皮。

二、先进复合材料制造技术发展

近年来，先进复合材料制造技术不断发展，从最初的手工铺贴、湿法成型到现在的纤维自动铺放、热压罐固化、液体成型、电子束固化等先进的制造技术，进一步扩大了先进复合材料的应用和发展。

纤维自动铺放是在缠绕和自动铺放基础上发展起来的一种全自动制造技术。复合材料自动铺放技术包括自动铺带技术（ATL）和纤维丝束铺放技术（FP）。其应用在优化成本、提高生产率、改善产品质量等方面有突出的优点和极大发展潜力。自动铺带具有表面平整、位置准确、精度高、速度快、质量温定性高等优点，特别适用于手工铺叠困难的大中型尺寸，如变截面飞机后蒙皮的制造。

纤维丝束铺放技术综合了纤维缠绕和自动铺带技术的优点，在铺层时切割预浸丝束及增减丝束的根数，可对铺层进行剪裁以适应局部加厚/混杂铺层递减及开口铺层多方面的需要。既可实现凸面也可满足凹面等大曲率复杂型面结构的铺叠，能够满足各种设计要求，实现低成本、高性能要求和设计制造一体化。

预成型体复合材料液体成型，目前技术已成熟的有树脂传递模塑成型（RTM）、真空辅助树脂渗透成型（VARI）和树脂膜熔渗成型（RFI）等工艺。RTM成型工艺是一种不采用预浸料，不采用热压罐的复合材料成型方法，可以生产出具有良好表面和外形尺寸精确的零件以及结构复杂的零件。其主要优点是能够制造高纤维体积分数的大型复杂构型的零件，并保持较高的结构设计效率。该技术的应用在一定程度上解决了复合材料采用预浸料方法所带来的制造成本过高、层间剪切强度低、抗冲击损伤能力差等缺点。RTM成型的产品主要有A380、A350、B787上的尾翼、机身、机翼和中央翼盒等承力结构。

电子束固化是一种将铺层与固化结合在一起的新方法，可用于各类预浸料如带、纤维、丝束或织物复合材料的加工。电子束固化在室温下进行，消除了由于热应力而产生的部件翘曲和变形，可更好地控制外形，且由于室温和真空袋的运用带来了低的加工成本；电子束固化时间很短，常为秒级至分级，降低能耗，且固化后制件的孔隙率、吸水率、收缩率低，都是显著的优点。另外，与纤维自动铺放技术相结合，能成型大型整体部件，明显减少部件、紧固件和模具数量，是复合材料结构减重的重要措施，也是降低成本的一种有效方法。如ASTOVL飞机的整体上、下机身和12m整体隔框就是采用电子束固化完成的，极大地降低了生产制造成本。

结束语：先进复合材料在飞机应用中比传统材料更加具有优势，它不仅能够提高飞机的整体质量，而且能够提升飞机使用的经济效益，可以减少对能源的使用，加快飞机的飞行速度,这也使先进复合材料在未来的应用中可以涉及到更多的领域，促进先进复合材料的全面发展。

参考文献：

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[2]宁莉,杨绍昌,冷悦,等.先进复合材料在飞机上的应用及其制造技术发展概述[J].玻璃钢/复合材料,2020,000(005):123-128.

[3]邹豪,王宇,刘刚,等.碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的发展现状及其在