浅谈复合材料在航空航天领域中的应用

浅谈复合材料在航空航天领域中的应用

刘建华

天津波音复合材料有限责任公司300000

摘要：复合材料是由两种或多种有机聚合物、无机非金属或金属以及其他不同性质的材料通过特殊工艺组合而成的人造材料，具有轻质量，耐腐蚀、高耐热行，各向异性，隔音效果好、抗震动能力强、材料结构可设计，易加工等特点，是制造航空飞机、火箭的理想材料。人类在发现复合材料之后，就不断把其卓越的优势性能应用在飞机上。　

关键词：航空复合材料；工艺技术；航空领域

一、前言

进入21世纪以来，复合材料技术在航空领域应用激增，不管是在军用飞机上还是民用飞机上的应用不断增加，其目的都是在提高飞机飞行速度的同时尽可能的减低飞机重量，减少制造飞机的成本。随着复合材料及其结构研究的不断地深入，科研人员也在不断的实验中把复合材料在飞机上的应用范围的不断扩大，从细小的零部件到飞机整体结构，到了今天，飞机上复合材料的占比还在不断增加[1]。在飞机的设计上，用复合材料设计的航空结构替代传统的金属材料设计的结构能够减轻20~30%的重量，材料成本节约15~30%。近年来复合材料发展迅速，制备技术也在不断进步，研究如何提高其取代传统金属在飞机上的占比，在国内空天科技前沿领域具有重要战略意义。

二、航空用复合材料

航空领域对飞机上的材料要求非常严格，除了牢固、高强度之外，还不能太重，而复合材料的发现正好满足了航空飞机对轻质高强度的结构材料的需求[2]。目前和以后很长一段时间的复合材料的研究核心都是能够用于生产航空或航天飞行器结构件的树脂基复合材料。　

碳基复合材料是一种以陶瓷纤维为增强体，以碳为基体的复合材料的总称，具有超强的耐热能力、烧蚀性能、抗蠕变能力良好，热导率低等优点。若要发挥碳基复合材料的全部性能，氧化保护措施是重中之重的[3]。防止氧化的方法主要有3种：一种利用化学气相渗透法（CVI）形成C/（C/SiC）混杂基体复合材料，提高抗氧化能力；一种是采用料浆浸渍-热解工艺；最后一种是改变表面涂层工艺。避免出现烧蚀现象，提高耐热能力。美国X-43A的尖锐前缘采用了碳基复合材料，能够承受2200℃的高温。

三、在民用飞机上的运用　　

民用飞机在性能的追求上和军用飞机有所差异，军用飞机注重于速度和轻重，能够完成任务[4]。而民用飞机更加在意飞机的安全性、可靠性和经济性，以此作为以营利为手段。复合材料在飞机上广泛使用的时间很短，还需要大量的时间和实验来检验其性能的稳定性，根据使用情况可分为结构件用复合材料和舱内材料[5]。波音公司研制的B787是首个采用复合材料机翼和机身的大型商用飞机，复合材料重量占总的结构重量50%，仅凭大量采用复合材料就能够提高12%的燃油效率。空客公司研制的A380飞机是第一个用RFI成形技术将复合材料用于中央翼盒的大型商用民用飞机，其用复合材料制造的部件约占25%。空客公司还有一个与波音公司B787飞机竞争的A350XWB项目，XWB(eXtra Wide Body)意为超宽的机身，它的机身宽度比B787还要大上一点，复合材料占比也达到惊人的52%，因为机身采用复合材料自动铺放技术，机身段的数目减少到3个。国内在大型商用飞机上的复合材料应用比例仍然相对较低，C919复合材料的重量在结构重量比例仅为20%[6]。不过由于其复合材料主要采用碳纤维树脂基复合材料，设计技术更加成熟和经济，上市定价格是同等类型飞机波音737目录价格的一半。

四、在无人机上的运用　　

随着近些年无人机井喷式的发展，无人机的种类繁多，技术先进，大量应用于空中侦查、通信、预警、电子干扰等军事活动中。复合材料因为具有卓越的性能，且质量轻，在无人机结构上上大量应用，和铝合金结构相比能够减轻20%~30%的重量。与有人飞机相比，复合材料用量在无人机结构重量中占比具有显目的优势，无论是大中小型无人飞机，复合材料用量占比一般在60%~80%，甚至还有占比超过90%的全复合材料无人机[7]。例如，美国多功能无人机“捕食者”结构基本上全部使用复合材料，机身使用多种碳纤维织物和蜂窝夹层加筋板，复合材料用量约占结构重量的92%。AAI公司的“影子”多功能无人机主体复合材料用量占比甚至达到95%。我国在无人机的研制上距离国外的水平还存在很大的差距，但也还是克服重重围堵封锁，自主研发了采用多种复合材料的无人驾驶战斗机。例如，与美国“捕食者”功能类似的高空长航时无人侦察机“翔龙”和天线罩采用透波复合材料、机翼采用蜂窝夹心复合材料的中低空军民两用多用途翼龙无人机。

五、在航空发动机上的运用　　

航空发动机材料在重量、耐高温等性能上要求严格，研究高性能耐高温复合材料在航空发动机上的应用是航空发动机进步的重要方向。目前，以美国通用电气公司和惠·普公司、英国罗·罗公司为主公司在航空发动机部件的树脂复合材料应用较为成熟，大量应用在涡扇发动机的风扇叶片、风扇叶片、推力反向器等部位。美国NASA，通用电气等公司推动陶瓷基复合材料在发动机热端部件应用，如尾喷管密封片，高压涡轮转子等。

5.1自动化　　

航空复合材料的自动化生产技术能够减低人工参与产生的随机误差、人为差错，提高复合材料生产效率，减少对操作人员的技术熟练度的要求，提高重复率和可靠性。甚至还可以根据自动化生产过程中收集的数据进行分析处理，从而改进复合材料的性能和质量。自动化生产技术还可以应用在航空复合材料结构件的快速制造方向上，以提高复合材料的成型速度和效率，同时还能在质量上有所保证。

5.2智能化　　

智能复合材料是一种具有传感、控制和驱动等功能，能够感知环境变化然后通过自我判断，自己执行相应指令的材料，拥有自诊断、自适应、自愈合等能力。它可以是功能性复合材料，同时又能作为结构复合材料应用在飞机的机构上。随着无损检测技术从定性检测向定向检测发展，在飞机的复合材料构件里面植入大量各种的传感器和集成控制器，能够对飞机的实时状况进行监测、结构寿命预估、损伤计算等，确保航空器安全、稳定的飞行。

六、结语　　

航空复合材料是航空领域发展的基础，复合材料在我们国家经过几十年的发展，促进了中国航空工业体系的完善，也带动了航空业的发展。也正是因为航空领域广泛的应用复合材料，对复合材料性能的需求不断提高，带动复合材料技术的进步。近些年来随着国产大型商用飞机C919和大型水陆两栖水上救援飞机AG600研发和制造，带动着中国航空业和复合材料行业往前迈进一大步。但是相对于国外成熟的复合材料技术和航空工业，我们还需要借鉴的知识和经验技术来处理现在面临的问题，提高我们在航空、复合材料等前沿科技的技术水平。

参考文献

[1]王国珍,黄克瑶,朱妍焘.结构健康监测技术研究及其在航空航天领域中的应用[J].科技资讯,2022,20(14):56-58.

[2]邢丽英,李亚锋,陈祥宝.先进复合材料在航空装备发展中的地位与作用[J/OL].复合材料学报:1-8[2022-07-02].

[3]王磊,王浩伟.航空用原位颗粒增强铝基复合材料研制与发展[J].民用飞机设计与研究,2022(01):104-110.

[4]倪洪江,李军,邢宇,戴霄翔,张代军,陈祥宝.航空发动机用T800级碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制备及性能[J].复合材料科学与工程,2022(05):46-51.

[5]彭中亚,何大智,姚改成,黄璇璇,司艳.某型航空发动机外涵机匣复合材料胶接修复后热振综合性能研究[J].航空维修与工程,2022(02):68-71.

[6]江洪,彭导琦.先进复合材料在航天航空器中的应用[J].新材料产业,2022(01):2-7.

[7]寇天翔.航空航天领域先进复合材料的应用探讨[J].中国高新科技,2021(21):112+122.