復合材料及其在航空零部件領域的應用

復合材料是指由兩種或兩種以上具有不同物理、化學性質的材料，以微觀、介觀或宏觀等不同的結構尺度與層次，經過復雜的空間組合而形成的新型材料。目前，航空復材零部件制造業所使用的復合材料主要為碳纖維增強的樹脂基復合材料。復合材料相比金屬材料的特點主要有：

（1）比強度和比模量較高

復合材料表現出與金屬材料不同的力學性能特征，比強度是指材料強度與密度的比值，比模量是指材料彈性模量與密度的比值，高比強度和比模量意味著較少的材料能承受較高的載荷。由上表可知高強度復合材料的比強度是鈦合金的近5倍，比模量是鈦合金的近4倍，遠超金屬材料，因此在相同的強度要求下，使用高強度復合材料相比金屬材料能大幅降低航空器結構重量，增加航空器航程，充分體現出節能減排的效益。

（2）各向異性和性能可設計性

層壓復合材料是由單向預浸帶逐層疊合并固化而成的，宏觀上表現出非均勻性和各向異性。單向帶沿纖維方向的性能與垂直纖維方向的性能差別很大，因此按不同的方向鋪設不同比例的單向帶，可以設計出不同性能的層壓板來滿足不同的結構要求，這種性能可設計性也叫性能“剪裁"。通過這種“剪裁”，可以使復合材料的效率充分發揮。例如在主承力方向，可以適當增加纖維含量比例以達到提高承載能力的效果，而不需要額外增加結構的重量。各向異性也給結構設計、分析和制造增加了困難，這是復合材料結構設計的特點之一。

（3）損傷、斷裂和疲勞

復合材料的各向異性、脆性和非均質性，特別是層間性能遠低于層內性能等特點，使復合材料層壓板的失效機理與金屬完全不同，因而它們的損傷、斷裂和疲勞性能也有很大差別。另外，復合材料構件制造目前主要靠人工鋪疊和熱壓成形，再加上加工、運輸過程中可能受到的外來物沖擊，其制件會比金屬制件更易帶有程度不等的缺陷或損傷。

（4）環境影響

除了極高的溫度，一般不考慮濕熱對金屬強度的影響，但復合材料結構必須考慮濕熱環境的聯合作用。這是因為復合材料的基體通常為高分子材料，濕熱的聯合作用會降低其玻璃化轉變溫度（使用上限溫度），從而引起由基體控制的力學性能（如壓縮、剪切等）的明顯下降。

（5）導電性

金屬有著良好的導電性，復合材料的導電性則差得多。因此對復合材料的結構設計必須有專門的防雷擊措施，油箱部位要有專門的防靜電設計，同時對安裝大量儀器儀表的設備艙和雷達罩，要進行特殊的電磁相容性設計。

綜上，復合材料在航空器應用的最主要原因在于減輕航空器重量、增加航程，同時復合材料還具備耐腐蝕性、可設計性、抗疲勞性、熱膨脹系數低、電磁屏蔽性好等優點；但是復合材料同時存在材料昂貴、在濕熱條件下性能降低、易發生沖擊損傷等劣勢。