复合材料在民用大飞机结构上的应用探讨

【摘 要】复合材料由于具有独特的功能，已越来越受到人们的重视。在制造飞机这一行业中，选用复合材料作为机身结构的制造材料是大势所趋，并且已经有了良好的发展。例如近三十年来，空中客车飞机的复合材料结构重量日益增加，从最初的A300飞机的不足5%，到A380飞机的25%，再到A350XWB的52%。A320是率先采用全复合材料尾翼的飞机，A340-500/600是率先采用碳纤维增强型复合材料大梁和后压力隔框.

【关键词】复合材料；民用大飞机结构；应用

在上世纪60年代初期就已经研发出了碳纤维作为增强结构的复合材料，其推广非常迅速，到70年代初期就已经应用到很多领域，其中就包括了飞机结构制造上，碳纤维增强后的复合材料使得飞机的框架结构得到了质的飞跃，到目前为止，四大航空的结构制造材料为钢、铝、钛和复合材料。

1 复合材料概述

所谓复合材料，就是将有着不同物理性质和化学性质的多种物质进行组合，从而得到了一种拥有组成该复合材料的单一材料的多项优点的多相固体类别材料。其组成上有增强体和基体，其中承受载荷的相就是复合材料的增强体部分，连接增强体、且通过纤维来传递载荷的相是基体。（1）按基体材料类型可分为树脂基、金属基和无机非金属基三类。（2）按增强体种类和形状可分为纤维增强、颗粒增强和层叠增强三类。（3）按其性能可分为结构复合材料和功能复合材料二类。

2 民用飞机复合材料选材原则

2.1 安全性原则

安全性是复合材料应该考虑的首要因素，其安全性能与本身的技术成熟度成正比，在复合材料应用广泛的美国，材料的技术成熟度包括10个等级，等级的高低表明了材料技术成熟度高低，比如A321飞机复合材料在上世纪90年代的应用比例达到20%，以及现在制造的A380飞机复合材料的应用比例达到了49%，同时有研究证明了复合材料比铝合金材料的抗腐蚀性能以及耐损伤度都要高出许多，这也就保证了复合材料的安全性能。

2.2 经济性原则

由于制造飞机成本不仅是飞机购买价格，而且还要包括飞机的燃油效率、使用寿命和维修成本等因素，这样以来就能够解释空客A380受到国际众多航空公司的喜爱的原因。虽然复合材料比铝合金贵得多，飞机结构重量的大幅度减轻所带来的经济效益（包括耗油率降低等）远远超过了它的负面效应。

2.3 舒适性原则

由于超宽体A350XWB的复合材料占飞机总重量的52%，超宽体A350的客舱的整体尺寸都要比波音787更宽。此外，A350超级宽体飞机还可以为客户提供适应现代化环境的机组休息舱，包括舒适的乘务人员休息舱和安全的飞行机组休息舱。

2.4 环保性原则

A380在首次隆重向世界亮相之前，就已获得数百架订单，其总价值高达千亿美元。如此高的销售额和市场反应主要是由于A380飞机有着较好的机身结构和发动机，燃油减少20%，低碳环保，并且还是目前飞机中油耗最少的，比同类飞机的燃油量低将近30%，这都依赖机的发动机、机身材料等综合因素，并且其中由于复合材料的作用降低了飞机8%的油耗。

3 复合材料在民用飞机制造上的应用

复合材料的广泛应用机的制造，将彻底解决目前应用常规的金属材料和非金属材料引起的腐蚀和疲劳问题，这对于提高飞行安全、降低维修成本，起到了非常重要的作用。

3.1 金属基复合材料

例如，用英国罗·罗公司研制出的SCS-6/Ti（金属基复合材料）代替耐热钢制成发动机压气机静子，将其重量减轻了40%；用SCS-6/Ti代替镍基高温合金制作的发动机压气机叶盘结构转子，减重达80%。

3.2 无机非金属基复合材料

由机在刹车时因摩擦产生的温度达到500℃以上，紧急刹车温度更高，甚至可以到达1000℃，其瞬时值有可能会融化掉刹车片。新型复合材料制成的碳/碳盘有着较好的耐高温和耐磨擦以及低密度和长使用寿命等优点，这就使得一些航空公司开始利用碳/碳盘作为飞机的刹车盘材料。如空中客车公司的所有飞机都采用了碳/碳刹车装置；使用了碳/碳刹车装置后，空中客车A-310减重499Kg；A-300-600减重590Kg；A-330及A-340各减重998kg；碳/碳刹车盘可达1500～2000个起落寿命，而钢制刹车盘一个周期仅可达300次着陆，寿命提高了5～6倍。

3.3 树脂基复合材料

即使A300飞机已经算是当今飞机领域较为先进的机型了，其树脂基的复合材料也只有全机身结构材料的十分之一，而新机型空客A380的机身材料中有一半以上都是由复合材料构成，并且所应用的复合材料中占最大比例的是树脂基复合材料，有着很高的碳纤维增强性，外加上该材料固化后主要是玻璃态，其强度和稳定性都比较高，将该材料应用到飞机的结构制造上，对飞机的机身蒙皮以及框、机翼、喷管和地板梁等主要机身结构的性能有非常大的好处。

4 小结

新型复合材料在飞机制造业的应用日益增多，并且我国的民航业处于初级发展阶段，对于民航事业的发展和保障，都离不开复合材料的应用，复合材料在我国飞机制造业未来的发展道路上必定发挥着不可替代的作用，也必将成为航空业发展的必经之路，我国航空业的发展，必将离不开新型复合材料的作用。

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