飞机复合材料应用及制造技术探析

飞机复合材料应用及制造技术探析

罗梨丹

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摘要

复合材料拥有强度高、耐热性好、耐腐蚀性强、使用寿命长等诸多优点，因此在飞机生产制造中得到了广泛的普及与应用。随着复合材料生产工艺的更新与进步，使得该材料在飞机上的应用部位、面积和重量也与日俱增，极大地推动了飞机制造工艺的进步与发展。因此对复合材料的种类进行简单地阐述分析，详细介绍飞机生产制造中复合材料的应用情况，进一步探讨复合材料的加工制造工艺，为复合材料的未来发展提供了重要的理论指导。

关键词：飞机；复合材料；应用；制造

与传统的材料相比，复合材料拥有多种优势性能，将复合材料应用到飞机生产制造当中，不仅能够提升飞机的结构性能，还能减轻飞机的整备质量，这与飞机的轻量化设计理念不谋而合。但是在另一方面，由于制造工艺的限制，导致复合材料应用于飞机制造的进程较为缓慢，如何解决这一问题，是当下人们需要思考的重要问题。

一、复合材料的分类

复合材料的种类非常多，其性能也存在一定差异，截止到目前为止，应用范围最广、性能最为出色的复合材料当属芳纶纤维和碳纤维，具体内容如下所示：

（一）芳纶纤维

芳纶纤维的化学名称是聚对苯二甲酰对苯二胺，也叫做凯夫拉，这种材料拥有诸多优势特征。首先，芳纶纤维的强度非常高，能够有效预防断裂和变形问题，力学性能非常好，因此在飞机制造中的应用颇为广泛。其次，芳纶纤维拥有高模量特征，材料刚度比较大，在施加应力的情况下，材料的弹性变形十分有限。再次，芳纶纤维拥有很好的耐高温、耐腐蚀性能，不会因为高温或者酸碱腐蚀而损坏，使用寿命比较长。最后，芳纶纤维的质量比较轻，生产出来的产品不仅坚固耐用，而且重量比较小，这与飞机的轻量化设计理念不谋而合。

（二）碳纤维

碳纤维是一种纤维状的碳材料，其强度已经远远超过了钢铁，但是其质量密度比钢铁小得多。碳纤维拥有良好的耐腐蚀性，甚至已经超过了不锈钢；碳纤维的耐热性能非常好、热膨胀系数也比较小，不会因为高温环境而融化变形。除此之外，碳纤维能够吸收冲击力，在电学、力学、热学等多个方面的性能都十分突出，是一种多性能、多用途的复合材料，因此该材料在飞机制造中得到了广泛的应用。

二、复合材料在飞机上的应用

波音公司在生产制造飞机时，就应用了大量的复合材料，例如C17大型运输机的水平尾翼就使用了复合材料，与传统的金属尾翼相比，重量降低了20%左右。B757飞机上的复合材料总重量达到了2吨，约占飞机结构重量的2.5%；B777飞机中使用的复合材料重达9.9吨，约占飞机结构重量的11%。波音公司设计生产的B787飞机，燃油效率提升了20%，很大一部分原因就是该飞机使用了先进的复合材料，使得飞机重量得以减轻，这也是全球范围内第一架使用复合材料机翼和机身的商用客机。

空壳公司非常重视复合材料的研发与应用，飞机上的复合材料也越来越多，诸如中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身、地板梁、后承压框等很多地方都使用了复合材料。A380是全世界第一个使用复合材料中央翼盒的大型民用飞机，该翼盒的重量达到了8.8吨，其中复合材料的重量达到了5.3吨，使得翼盒减重1.5吨左右。板厚约为45mm，重要连接点处达到了160mm，连接钉直径约为2.54厘米，能够承受较大的载荷。A380机身很多地方都使用了Glare层板，面积约为470立方米，重量约为整个机身的3%左右，与铝合金板相比减重幅度约为28%，使用寿命可延长10-15倍。

此后，空客公司启动了A350XWB项目，复合材料的使用量达到了52%，飞机的机翼、平尾、垂尾以及机身都使用了复合材料，其中机翼、垂尾全部使用复合材料，机身为混合结构。因为机身多处使用了复合材料，机身段数目减到3个，生产制造方法使用了自动铺放技术，使得飞机制造进入了全新的领域。

除了商用客机、民用飞机使用了复合材料之外，军用飞机也使用了很多复合材料，例如美国的大型军用运输机A400M就使用了大量的复合材料，该飞机机身使用英国GKN宇航公司研发的碳纤维翼梁，在降低飞机重量的同时，大大提升了飞机的有效载荷。在A400M运输机生产过程中，诸如机翼、机身、垂尾、平尾等很多地方都使用了复合材料，生产工艺采用ATP技术，这在全球军事领域中都是独一无二的。

三、复合材料的制造技术分析

截止到目前为止，复合材料的制造成本非常高，这是制约复合材料在飞机制造中大规模使用的关键因素。据有关资料显示：复合材料成本的七成都来自于制造工艺，所以如何降低复合材料的制造成本，是当下急需解决的重要问题。如今，复合材料的制造理念是整体制造，也就是将复合材料设计成整体结构，使用自动铺放、共固化、共胶接等方法达到整体制造的目的。复合材料首先要满足结构性能要求，而后通过降低零件数目、紧固件数量、协调/连接装配的方法，降低结构重量，减少制造成本。采用上述制造工艺能够有效减少连接件的数量，有助于提升复合材料的结构性能，整体成型技术能够减少分段、对接、间隙和台阶，使得飞机零件表面更加平滑，外观更加美观。

飞机制造中复合材料的应用情况与制造技术有着密切的联系，根据B787、A380、A400M等飞机复合材料的应用情况可知：当飞机使用大面积的复合材料时，人工铺设的难度非常大，产品质量也无法保障，应该使用自动铺代技术（ATL）和纤维自动铺放技术。自动铺代技术通常用于尺寸大、曲率小的零部件，例如飞机壁板、大梁、长桁等；纤维自动铺放技术适用于尺寸较大、形状复杂的零件，例如机身段、进气道等。最早的自动铺放技术源于复合材料机身的制造，由于使用缠绕技术制造机身时，缠绕张力会使得凹面产生缝隙，使得纤维滑移而偏离初始位置，过去的缠绕施工方法难以改变厚度，而纤维铺放技术能够解决上述问题，在大型复杂型面上铺放和压实连续预浸纤维，使得纤维在芯模上的铺放在无压力环境中进行；铺放预浸带时可以根据要求调整宽度，通过加热、冷却等方法调整黏度，自动铺放的精度可达0.005mm。自动铺放（ATL）制造工艺能够提升工件质量，加快施工速度，减少零件数量，减少制造及装配费用，因此广泛用于飞机的生产与制造。

总结

复合材料主要分为碳纤维、芳纶纤维等几种类型，在飞机的机身、尾翼、大梁等诸多位置都得到了广泛的应用，复合材料的应用不仅提升了飞机的结构强度和燃油效率，还降低了飞机的整备质量，是飞机制造产业未来重要的发展方向。因此在以后的发展过程中，要不断优化复合材料的生产加工工艺，为飞机制造产业的发展做出更大的贡献。

参考文献

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