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一、綜述

由于復合材料質量輕、具有較高的比強度、比模量以及較好的延展性、抗腐蝕、導熱、隔熱、隔音、減振、耐高（低）溫、耐燒蝕、透電磁波, 吸波隱蔽性、可設計性、制備的靈活性和易加工性等特點，是制造飛機、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。

自從先進復合材料投入航空航天應用以來，有三件值得一提的成果。第一件是美國全部用碳纖維復合材料制成一架八座商用飛機-里爾2100號并試飛成功；第二件是采用大量先進復合材料制成的哥倫比亞號航天飛機，這架航天飛機用碳纖維/環氧樹脂制作長18.2m、寬4.6m的主貨艙門，用凱芙拉纖維/環氧樹脂制造各種壓力容器。在這架代表近代最尖端技術成果的航天飛機上使用了樹脂、金屬和陶瓷基復合材料；第三件是使用了先進復合材料作為主承力結構，制造了可載80人的波音-767大型客運飛機，不僅減輕了重量，還提高了飛機的各種飛行性能。

復合材料在這幾個飛行器上的成功應用，表明了復合材料的良好性能和技術的成熟，對于復合材料在重要工程結構上的應用是一個極大的推動。

圖1 龐巴迪里爾45XR商務飛機

圖2 哥倫比亞號航天飛機（右上角為失事現場圖片）

圖3 波音767

二、航空領域（固定翼飛機，直升機，特種飛行器）

先進復合材料用于加工主承力結構和次承力結構、其剛度和強度性能相當或超過鋁合金的復合材料。目前被大量地應用在飛機機身結構制造上和小型無人機整體結構制造上。

飛機用復合材料經過近40年的發展，已經從最初的非承力構件發展到應用于次承力和主承力構件，可獲得減輕質量（20-30）% 的顯著效果。目前已進入成熟應用期，對提高飛機技戰術水平、可靠性、耐久性和維護性已無可置疑，其設計、制造和使用經驗已日趨豐富。迄今為止戰斗機使用的復合材料占所用材料總量的30%左右，新一代戰斗機將達到40%；直升機和小型飛機復合材料用量將達到（70-80）%左右, 甚至出現全復合材料飛機。“科曼奇”直升機的機身有70% 是由復合材料制成的，但仍計劃通過減輕機身前下部質量以及將復合材料擴大到配件和軸承中，以使飛機再減輕15%的質量。“阿帕奇”為了減輕質量，將采用復合材料代替金屬機身。

近10年來，國內飛機上也較多的使用了復合材料。例如由國內3家科研單位合作開發研制的某殲擊機復合材料垂尾壁板，比原鋁合金結構輕21kg，減重30%。北京航空制造工程研究所研制并生產的QY8911/HT3。雙馬來酰亞胺單向碳纖維預浸料及其復合材料已用于飛機前機身段、垂直尾翼安定面、機翼、阻力板、整流壁板等構件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C熱塑性樹脂單向碳纖維預浸料及其復合材料具有優異的抗斷裂韌性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲勞性能，適合制造飛機主承力構件，可在120℃下長期工作，已用于飛機起落架艙護板前蒙皮。

據波音公司估算，噴氣客機質量每減輕1kg，飛機在整個使用期限內即可節省2200美元。

2.1 固定翼飛機

1）國外

國外大飛機復合材料使用情況可以通過以下圖片展示出來：

圖4-7 國外大型飛機復合材料使用情況

輕型運動飛機（Light sport aircraft，LSA）是美國FAA于2004年提出的一種飛機分類名稱。這類飛機最大起飛重量不超過600 kg（水上起降的飛機，最大起飛重量不超過650kg），最大平飛速度不超過222 km/h，失速速度不超過83 km/h，與傳統的通用飛機失速不相上下，但耗油量減半，性能優于傳統的通用飛機。單座或者雙座，固定起落架，使用不可變槳矩，或只能地面調整槳矩的螺旋槳，動力裝置限定為一臺電動機，或活塞式發動機。輕型運動飛機對于維修方面的限制很少，可以由傳統的飛機維修技術人員來維修和檢查，可以由有修理輕型運動飛機資格的個人來維修，有些情況下也可以由飛行員或者所有者來檢查和維修。

與客機和軍用飛機相比，輕型運動飛機的尺寸比較小，結構簡單，使用環境溫和，適航標準也更寬松，所以復合材料在輕型運動飛機上的應用所受到的限制很小，并且制造成本更低。輕型運動飛機一般復合材料用量超過70%，屬于全復合材料飛機。復合材料具有重量輕、高強度、高模量、結構功能一體化和設計制造一體化、易于成大型制品等優點，采用復合材料的部件可在滿足同樣強度要求的情況下，比金屬材料的部件更輕。

美國研制的Lear Fan2100型飛機，是世界上第一架以先進復合材料為主的全復合材料飛機，主要以CFRP和KFRP為主，結構減重達40%。中、法、新合作研制的輕型直升機EC120，除旋翼槳葉外，機身、垂尾、尾梁、水平安定面等多處結構也都用了復合材料。美國AASI公司研制的JETCRUZER500型6座公務機，其整個機身有碳/環氧復合材料制成。

圖8 Lear Fan2100型飛機

輕型運動飛機市場很大，相關的制造商和機型也很多，目前該領域主要集中在歐美一些發達國家，知名的制造公司有美國塞斯納飛機公司、西瑞設計公司（已被中航通飛收購）、奧地利鉆石飛機公司、德國飛行設計公司等。其中德國飛行設計公司（Flight Design GmbH）是全球領先的、設計和生產輕型運動類飛機的專業廠家，所開發的CT系列輕型運動飛機基本均采用碳纖維復合材料機身。德國Remos飛機公司的生產的Remos飛機大部分是碳纖維復合材料，機翼是全碳纖維制造，重量輕，線條圓滑。該機型可能是目前為止制造工藝最先進的輕型運動飛機機型。奧地利鉆石飛機公司DA42“雙子星”飛機機翼等主要部件均采用復合材料結構。

國外軍機復合材料使用情況如下圖所示：

圖13 國外軍機復合材料使用情況

2）國內

運-10（Y-10）是由上海飛機制造廠研制的四發動機噴氣式運輸機，是中國首次自行研制、自行制造的大型噴氣式客機，基于當時的工業基礎和條件，運-10基本沒有采用復合材料件。

中國商用飛機有限責任公司研制的雙發動機支線客機ARJ21翔鳳客機，翼梢及次要結構件使用國產碳纖維減重。

C919是中國自主設計的第二款國產大型客機。該機機翼，水平尾翼，中央翼盒使用了復合材料結構件。

下面幾張圖是波音公司在中國的轉包情況：

圖17 波音737中國轉包情況

哈飛公司向空客集團成員和/或空客指定的供應商提交及交付空客A350及空客A320系列復合材料飛機零部件；參與現在或將來空客飛機項目的研究、開發、工業化及批量生產；為空客所指定的第三方制造、銷售、經銷和配送復合材料飛機零部件。公司與空客及其一級供應商簽訂了7個工作包合同，包括A320升降舵、方向舵、平尾梁和A350升降舵、方向舵、機腹整流罩、勤務艙門等。

在國內，民機可以采用國際采購的方式來彌補技術上的差距，如飛機發動機、部分機載設備、零部件和材料都可以采用這種方式。但是民機制造中仍有許多東西是用錢買不來的，如飛機的總體設計能力，尤其是集成能力得靠經驗上的累積。又如電傳操作，這是核心技術，空客在這個方面已比較成熟，波音777也采用了電傳操作技術，其中有些還是光傳技術，這種技術人家是不會賣給我們的，只有靠自己研發。

近年來國內眾多單位也逐漸開展了輕型運動飛機的研制工作，取得了一定的成果。2011年9沈飛公司與美國賽斯納飛機公司簽署合作協議，研制生產的我國第一架以鋁合金機體為主的塞斯納162輕型運動飛機，并成功首飛。

2012年南昌航空大學和珠海強恩玻璃鋼制品有限公司聯合研制的"紅嘴歐"運動飛機，飛機結構采用碳纖維、玻璃纖維、環氧樹脂、夾芯材料等制造成型，機身機翼等主體結構使用碳纖維復合材料，部分隔板為玻璃纖維復合材料。局部采用夾芯結構，外面蒙上碳纖維增強環氧樹脂基復合材料表板，飛機結構90%為復合材料，使得飛機重量輕，強度好。

波東風飛機有限公司自主研制了DF2型復合材料雙座輕型運動飛機（如圖24所示），于2008年7月進行了試飛。DF2型飛機主要承力結構均采用碳纖維材料，設計起點比較高，但仍然需要進一步的完善。

2013年6月由沈陽航空航天大學自主研制的電動雙座輕型運動飛機在沈陽法庫財湖機場成功首飛。這款新型清潔能源飛機以鋰電池為能源，運用全碳纖維復合材料結構機體，與傳統油動飛機相比，具有造價低廉、節能環保、安全實用的特點。遼寧太平洋航空工業有限公司引進美國設計的KIS-2，KIS-4均為復合材料的2座和4座輕型飛機，其結構以玻璃鋼為主，局部如機翼大梁，平尾等處就用了碳纖維復合材料。

目前，復合材料夾層結構在輕型飛機上應用最為廣泛。夾層結構通常是用比較薄的板材作面板，比較厚的密度小的材料作芯子膠接而成，如蜂窩夾層結構或泡沫夾層結構。

2.2 直升機

1）直升機起落架

滑橇式直升機起落架，結構簡單，重量輕，性能可靠，不易損壞，主要依靠結構的彈性變形來吸收著陸能量。可以安裝浮筒，用于水面或其它特殊場地起降，在飛機速度慢、起飛重量輕、場地易于保證、后勤較薄弱的民用領域有很大優勢。

目前較多采用金屬基復合材料。和所有纖維增強復合材料一樣，金屬基復合材料通過使用不同的纖維、基體和調整纖維容量來達到某一特性，或進行特殊結構設計。

但目前，金屬基復合材料的最大缺點是其纖維韌性低、工藝生產成本高、工藝很不成熟，難以達到批量生產，并且價格昂貴。而且使用金屬基復合材料進行設計，必須仔細考慮連接方式、載荷傳遞路徑和易損壞部位，從而估算節約重量的潛力，因此增加了設計的難度。金屬基復合材料吸震性能差，使用該種材料做起落架，必須設置復雜的減震裝置，增加了機身的重量和成本。

碳纖維/環氧樹脂復合材料具有綜合的優良性能，更適合于用作直升機起落架材料。可以根據起落架的不同要求對碳纖維/環氧樹脂復合材料進行設計，可以根據受力情況合理選擇成型工藝、材料的牌號、布置增強材料，以達到節約成本、減輕質量的目的。

2）直升機槳葉

直升機技術、特別是旋翼技術的迅猛發展，很重要的一點是得益于復合材料的應用。復合材料的優點在旋翼槳葉上得到了充分的發揮，它為旋翼槳葉氣動外形的改進和優化、旋翼動力學特性的優化提供了可能。更重要的是復合材料使在交變載荷作用下的旋翼壽命大幅度提高，并能做到“視情維護”。這不僅提高了直升機的安全性，而且使槳葉制造成本大大降低，由此帶來了可觀的經濟效益。

3）直升機槳轂

同槳葉相比，槳轂的復合材料化相對比較困難，但也已取得了突破性進展。法國宇航公司于70年代后期研制成功的星形柔性槳轂就是復合材料在旋翼槳轂上應用的首次突破，緊接著各國紛紛開始復合材料無軸承槳轂的研究和試驗，使旋翼結構全復合材料化成為可能。這是直升機技術發展的一次革命。

4）直升機傳動系統

復合材料在傳動系統中的應用也已提上日程, 波音、麥道、卡曼直升機公司都已進行了大量的研究工作，波音公司已在其360直升機上采用石墨纖維和玻璃纖維混合纏繞的旋翼軸、減速器殼體等獲得成功，其壽命是無限的，而重量減輕25%。

5）直升機機身

近年來復合材料在機身上的應用也有很大進展，第一架試飛的全復合材料機身是西科斯基公司的S275直升機，隨后試飛的有貝爾公司全復合材料機身的D2292直升機和波音直升機公司的波音-360直升機等。這些直升機與原準機相比在機身重量、生產成本、可靠性和維護性方面均有可觀的得益。

2.3 特種飛行器（由于數量種類繁多，在此僅以無人機為例）

無人機復合材料結構主要包括層壓板結構、夾層結構, 由于其很強的可設計性, 在結構部件的整體設計中可以大大減少無人機零、部件數量, 典型的應用為翼身融合結構，見圖32-圖33。

無人機上用的結構有夾層結構以及層壓板結構，如機身結構由縱向梁凸緣、蒙皮和橫向框組成，如圖34所示；其中蒙皮為蜂窩夾層結構，梁凸緣多為復合材料層壓板結構。翼面則多為夾層板梁式結構、夾層壁板墻式結構、全高度泡沫夾芯結構、蒙皮空腔結構和夾層盒結構等，

無人機復合材料結構件用的增強材料主要有碳纖維、玻璃纖維等, 而樹脂體系則主要有環氧樹脂體系和雙馬來酰亞胺樹脂體系, 前者工藝性較好, 后者耐溫性能較好。

無人機復合材料結構件的制造方法主要有熱壓罐成型、真空袋成型和模壓成型。

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復合材料在航空航天領域的應用（上）復材云集|復合材料

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