復合材料，航空航天領域的重要結構材料

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發表于 2015-11-23 19:08:53 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

從0到53%的跨越，復合材料在航空航天領域結構材料中扮演著越來越重要的角色。
自1959年德國斯圖加特大學研制出第一架全復合材料結構的滑翔機“Phönix”以來，復合材料在航空航天領域結構材料中扮演著越來越重要的角色。
復合材料具有較高的比剛度與比強度、出色的耐疲勞性能和抗腐蝕等特點，能滿足民用飛機結構輕量化、高可靠性、使用壽命長、效能高等性能需求。此外，復合材料其他功能性的應用潛力，如一體化傳感器等，也成為其得以廣泛應用的又一優勢。目前，復合材料已成為繼鋁合金后，航空航天領域又一重要的結構材料。
大體而言，復合材料在飛機結構上的應用可以分為三個階段：
第一階段是應用于受載不大的簡單零部件，如各類口蓋、舵面、阻力板、起落架艙門等；
第二階段是應用于承力較大的尾翼級主承力結構，如垂直安定面、水平安定面、全動平尾、鴨翼等；
第三階段是應用于主承力結構，如機翼盒段、機身等。
20世紀70年代中期，空客首次將復合材料應用于第三代大型民用飛機A300飛機的垂尾。80年代，在A310的活動面和垂尾上成功應用了復合材料之后，空客逐漸增加了復合材料在其他結構部件上的應用。在第四代大型民用飛機A320上，空客將復合材料應用擴大到了尾翼，并使A321、A319、A330基本保持了相同的應用水平。在隨后的第五代大型民用飛機A340上，復合材料的比重提高到8%。
在第六代大型民用飛機A380的研制中，空客再次進行大膽創新，在中央翼盒、機翼前緣、翼肋、機翼后緣操縱面、機身上蒙皮壁板、地板梁、后承壓隔框、機身尾段、尾翼、整流罩和起落架艙門等處廣泛使用了復合材料，使復合材料的比重達到25%，用量高達30噸。
在A380之后，為了與波音787競爭，空客研制了載客量和航程與波音787處于同一級別的A350飛機。在2004年底空客最初宣布的A350方案中，其結構減重目標是比A330輕8噸。為此，空客計劃將A350的復合材料用量提高到結構重量的約40%。
此后，迫于客戶的壓力和波音787取得的市場成功，空客先后數次對A350的結構選材和設計進行修改，在2006年12月提出的A350XWB方案中，全機結構復合材料用量上升到53%，其中央翼盒和外翼盒均采用碳纖維復合材料制造，復合材料使用面積約達442m2。
波音公司在第二代至第四代大型民用飛機737、757和767等機型中，復合材料的應用僅涉及起落架艙門、整流罩、升降舵、方向舵、襟翼和副翼等次承力結構。到了20世紀90年代中期，在第五代大型民用飛機777研制中，波音將復合材料應用擴大到了垂直安定面和水平安定面等主結構，使復合材料的用量達到了10%。
鑒于復合材料研究的進展和在軍機上應用的成功經驗，波音在第六代大型民用飛機787研制中，將復合材料的應用擴大到了50%。因此，波音787也被人們戲稱為“塑料飛機”。
復合材料優異的抗裂紋擴展性能使波音787的檢修變得更容易，通常只要通過目視檢查沒有發現損傷，就不必進行修理，其日常維護費用比波音777降低32%。
此外，復合材料優異的抗疲勞特性為波音787客艙的大尺寸舷窗設計提供了可能，其窗口面積比空客A330/A340增大了78%，有效提升了旅客的乘坐體驗。同時，由于復合材料結構比鋁合金結構具有更好的耐腐蝕性，有利于提高客艙的壓力和濕度，使旅客感到更加舒適。
俄羅斯是傳統的航空強國，在其重振航空工業的代表性產品MS-21上，俄羅斯聯合飛機公司（UAC）采用自動鋪絲工藝進行纖維干絲鋪貼預成型體，然后利用液體成型工藝制造MS-21的外翼。

MS-21是一種單通道商用飛機，其復合材料用量達到31%。UAC公司認為，如果MS-21能夠通過使用復合材料降低飛機機翼結構的重量和制造成本，俄航空企業將能在競爭激烈的單通道商用飛機市場取得成功。
MS-21采用液體成型工藝在降低機翼結構制造成本上的作用主要有兩個方面：
首先，由于MS-21機翼結構尺寸較大，量產后飛機在材料以及設備上的成本降低會十分可觀。
其次，機翼結構的整體化設計和制造大幅減少了緊固件數量以及工人勞動量。UAC表示，相對于熱壓罐工藝，液體成型工藝能實現減重10%，成本降低30%，能源損耗降低50%，工時減少30%。雖然上述數據有待證實，但液體成型工藝的成本優勢毋庸置疑。
另一家飛機制造商加拿大龐巴迪公司也在嘗試擴大對復合材料的應用。在其最新研制的C系列飛機中，復合材料的用量達到20%，主要用于中央翼、后機身、尾錐和平尾等處。

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