【中玻網(wǎng)】玻璃纖維短切氈等復(fù)合材料的發(fā)展對航空裝備的發(fā)展有著重要意義。飛機(jī)性能一半取決于設(shè)計，另一半取決于材料。材料的優(yōu)劣對速度、高度、航程、機(jī)動性、隱身性、服役壽命、安全可靠性、可維修性等性能起無可置疑的重大影響。根據(jù)統(tǒng)計，飛機(jī)減重中有70%是由航空材料技術(shù)進(jìn)步貢獻(xiàn)的。飛機(jī)機(jī)體的材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了四個發(fā)展階段，復(fù)合材料的廣泛使用使其正在邁入第五階段。這五個階段為：

　　靠前階段（1903～1919年），木、布結(jié)構(gòu)；

　　第二階段（1920～1949年），鋁、鋼結(jié)構(gòu)；

　　第三階段（1950～1969年），鋁、鈦、鋼結(jié)構(gòu)；

　　第四階段（1970～21世紀(jì)初），鋁、鈦、鋼、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（以鋁為主）；

　　第五階段（21世紀(jì)初至今。）：復(fù)合材料、鋁、鈦、鋼結(jié)構(gòu)（以復(fù)合材料為主）。

　　使用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的飛機(jī)，在減輕飛機(jī)重量、減少燃油、減少維修成本和延長飛機(jī)使用壽命上有明顯優(yōu)勢，而傳統(tǒng)的鋁合金材料則會隨著時間推移被慢慢腐蝕，降低飛機(jī)安全性。采用50%復(fù)合材料的波音B787飛機(jī)維修費(fèi)用在服役數(shù)年后依舊穩(wěn)定，而傳統(tǒng)的鋁合金結(jié)構(gòu)飛機(jī)B767飛機(jī)維修成本將大幅上升。波音公司指出，復(fù)合材料將成為“航空航天結(jié)構(gòu)的未來”。

　　復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的發(fā)展大致經(jīng)歷了次承力構(gòu)件—尾翼級主承力構(gòu)件—機(jī)翼—機(jī)身主承力構(gòu)件四個階段，逐漸由小型構(gòu)件向大型核心構(gòu)件，由軍用向民用發(fā)展。在歐美，20世紀(jì)60年代是復(fù)合材料的研發(fā)階段，70年代進(jìn)入應(yīng)用階段，此后復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用比例逐步提升。

　　1、軍用飛機(jī)

　　作為一項新興的材料技術(shù)，復(fù)合材料首先在軍用飛機(jī)上得到應(yīng)用。

　　60年代，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料首先開始應(yīng)用于飛機(jī)的整流罩、襟副翼中。此時，復(fù)合材料力學(xué)性能還相對較低，應(yīng)用復(fù)合材料制造的飛機(jī)零部件尺寸小、受力水平小。

　　60年代后期，硼纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料開始應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)上。例如，F(xiàn)-14于1971年開始將硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料應(yīng)用在平尾上。

　　70年代中期，誕生了以碳纖維為增強(qiáng)體的高性能復(fù)合材料，開啟了復(fù)合材料在飛機(jī)上的大規(guī)模應(yīng)用。具有優(yōu)越高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞性能的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料非常適合航空裝備需求。軍機(jī)的垂尾、平尾等受力非常大、尺寸非常大的部件開始逐步使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，如F-15、F-16、Mig-29、幻影2000、F/A-18等飛機(jī)的復(fù)合材料尾翼、垂尾。從70年代至今，國外軍機(jī)尾翼已經(jīng)全部采用復(fù)合材料。采用復(fù)合材料的平尾、垂尾一般占飛機(jī)全部結(jié)構(gòu)重量的5%-7%。

　　在尾翼進(jìn)入復(fù)合材料時代后，復(fù)合材料的應(yīng)用開始向軍機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身等結(jié)構(gòu)受力大、尺寸大的主要構(gòu)件發(fā)展。1976年，麥道公司率先研制了F/A-18復(fù)合材料機(jī)翼，并于1982年正式進(jìn)入服役，把復(fù)合材料用量提高到13%。此后各國所研制的軍機(jī)的機(jī)翼也幾乎全部采用了復(fù)合材料。例如美國的AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35、法國的“陣風(fēng)”、瑞典的JAS-39、歐洲四國聯(lián)合研制的“臺風(fēng)”，俄羅斯的S-37等。

　　目前世界先進(jìn)軍機(jī)中復(fù)合材料用量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的20%-50%不等，主要應(yīng)用復(fù)合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、機(jī)翼、中前機(jī)身等。如果復(fù)合材料占飛機(jī)總重量的50%左右，則全機(jī)絕大部分結(jié)構(gòu)件由復(fù)合材料制成，如B-2隱形轟炸機(jī)。

　　2、民用飛機(jī)

　　民用飛機(jī)更加考慮飛機(jī)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因此在復(fù)合材料的應(yīng)用上比較謹(jǐn)慎。但隨著復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步和制造成本的降低，20世紀(jì)70年代開始，民機(jī)也逐步開始使用復(fù)合材料部件。與軍機(jī)類似，民機(jī)復(fù)合材料的部件也從小承力構(gòu)件向主承力構(gòu)件發(fā)展。

　　以美國為例，復(fù)合材料在民機(jī)的應(yīng)用大概經(jīng)歷了4個過程。

　　靠前個階段，20世紀(jì)70年代中期，復(fù)合材料主要應(yīng)用于受力較小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構(gòu)件上。

　　第二個階段，20世紀(jì)80年代中期，復(fù)合材料主要應(yīng)用在受力較小的升降舵、襟副翼等構(gòu)件。

　　第三個階段，復(fù)合材料應(yīng)用在受力非常大的垂尾、平尾等構(gòu)件上。例如波音777飛機(jī)的垂尾、平尾都采用了復(fù)合材料，復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)總重量的11%。

　　第四個階段，復(fù)合材料在飛機(jī)較主要受力部件機(jī)翼、機(jī)身上得到應(yīng)用。波音787夢想飛機(jī)的復(fù)合材料用量為50%，超過了鋁、鋼、鈦等金屬材料重量的總和。主要應(yīng)用在機(jī)翼、機(jī)身、垂尾、平尾、機(jī)身地板梁、后承壓框等部位，是靠前個采用復(fù)合材料機(jī)翼和機(jī)身的大型商用客機(jī)。

　　在歐洲，空中客車公司也從20世紀(jì)70年代中期開始了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在A300系列飛機(jī)上的應(yīng)用研究。1985年，完成了對A320飛機(jī)復(fù)合材料垂尾的研制，此后A300系列飛機(jī)尾翼一級的部件均采用了復(fù)合材料，并將復(fù)合材料用量迅速推進(jìn)到15%，超過了波音公司。

　　空中客車A380飛機(jī)的復(fù)合材料用量在25%左右，主要應(yīng)用在中點(diǎn)翼、外翼、垂尾、平尾、機(jī)身地板梁和后承壓框等部位。并采用了大量的先進(jìn)復(fù)合材料，比如大部分國家非常大樹脂膜浸滲成型的機(jī)身后承壓框，應(yīng)用玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金材料（Glare）的機(jī)身上壁板等等。

　　空客新一代飛機(jī)也將邁入以復(fù)合材料為主的時代?？湛偷腁400M大型運(yùn)輸機(jī)將采用35%-40%的復(fù)合材料，主要應(yīng)用區(qū)域包括機(jī)翼、垂尾、平尾和螺旋槳葉片等。2013年首飛的A350WB則采用了52%的復(fù)合材料，超過了波音B787的50%。

　　3、直升機(jī)

　　直升機(jī)對復(fù)合材料應(yīng)用非常顯著。軍用、民用和輕型直升機(jī)均大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，的直升機(jī)復(fù)合材料用量已達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的40%-60%。例如，美國武裝直升機(jī)科曼奇（RAH-66）的復(fù)合材料使用量為50%；歐洲NH-90直升機(jī)的復(fù)合材料使用量達(dá)到80%，接近全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

　　V-22旋翼飛機(jī)是一種新型的飛行結(jié)構(gòu)，可以垂直起降，傾旋轉(zhuǎn)翼后又能高速巡航，復(fù)合材料使用量為51%，包括機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等均為復(fù)合材料制成，也是一個全復(fù)合材料的飛機(jī)。

　　4、無人機(jī)

　　軍用無人機(jī)對減重有著迫切的需求，因此復(fù)合材料大量應(yīng)用于無人機(jī)上。例如，美國X-45系列飛機(jī)的復(fù)合材料用量達(dá)90%以上；X-47系列飛機(jī)基本上為全復(fù)合材料飛機(jī)，“大部分國家鷹”無人偵察機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)65%，其中機(jī)翼、尾翼、后機(jī)身、大型雷達(dá)罩等均由復(fù)合材料制成；歐洲的試驗無人機(jī)“梭魚”、美國遠(yuǎn)程攻擊無人機(jī)“臭鼬”等的情況也基本如此。

　　5、航空發(fā)動機(jī)

　　復(fù)合材料的用量和占比也成為衡量航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)程度的一個度量。根據(jù)冷熱端工作溫度的不同，航空發(fā)動機(jī)相應(yīng)采用了多種不同基體的復(fù)合材料進(jìn)行應(yīng)用。

　　樹脂基復(fù)合材料優(yōu)異的比強(qiáng)度和比模量性能對于高推比航空發(fā)動機(jī)的減重、提高推進(jìn)效率、降低噪聲和排放以及降低成本等都具有重要意義，主要應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)的冷端部件上，工作溫度在150-200℃以下，例如渦扇發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片、導(dǎo)向葉片及其框架組件、渦扇發(fā)動機(jī)鼻錐及整流裝置等。

　　在熱端部件上，由于高溫等特殊條件的要求，金屬基、陶瓷基及碳/碳復(fù)合材料有著重要應(yīng)用。

　　SiC長纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料（Ti-MMC）具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫、舒緩勞累性好和蠕變性能好的優(yōu)點(diǎn)，Ti-MMC葉環(huán)代替壓氣機(jī)盤可使零部件減重70%。未來航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片和鏡子葉片、整體葉環(huán)、機(jī)匣和渦輪軸等都將采用金屬基復(fù)合材料進(jìn)行制造。陶瓷基復(fù)合材料一直是高溫材料研究的要點(diǎn)，精細(xì)陶瓷和氮化硅制造的發(fā)動機(jī)部件可以在1371℃溫度下工作，性能甚至優(yōu)于高溫合金，但脆性問題目前仍然沒有解決。

　　碳/碳復(fù)合材料同樣具備密度小、高比強(qiáng)、高比模量、抗熱沖擊好等優(yōu)點(diǎn)，是目前在1650℃以上工作溫度下備選材料，較高理論溫度達(dá)到2600℃，被認(rèn)為較有前途的高溫材料。