1.引言

2024中國(guó)(珠海)國(guó)際航空航天展覽會(huì)于11月12日盛大開(kāi)幕，今天讓我們來(lái)回顧復(fù)合材料在航空航天?業(yè)中的應(yīng)用。復(fù)合材料在航空工業(yè)中有著?泛的應(yīng)?，特別是在?機(jī)技術(shù)中。復(fù)合材料被?作機(jī)身關(guān)鍵部件（如機(jī)翼、機(jī)?、尾翼和起落架）。它們還?于直升機(jī)部件，如機(jī)?、尾梁和旋翼葉?。因重量輕，強(qiáng)度?以承受不同航空航天部件的嚴(yán)酷負(fù)載條件，它們被廣泛應(yīng)用于?性能輕型產(chǎn)品中。

2 復(fù)合材料在航空(飛機(jī))中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的復(fù)合材料飛機(jī)部件通常采用夾層結(jié)構(gòu)制造。該結(jié)構(gòu)通常具有碳纖維面板或碳纖維與玻璃纖維組合而成的蜂窩狀核心面板。對(duì)于飛機(jī)內(nèi)飾應(yīng)用，復(fù)合材料部件需要滿(mǎn)足機(jī)械性能和加工性能的要求，且結(jié)構(gòu)受壓部件必須滿(mǎn)?阻燃要求。

由纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂或酚醛樹(shù)脂制成的復(fù)合材料，被?泛應(yīng)?于?李艙、側(cè)壁板、天花板、地板、廚房、隔板、貨艙地板襯墊等內(nèi)飾部件。復(fù)合材料在?機(jī)上的應(yīng)?如下表所?。

酚醛樹(shù)脂因其優(yōu)異的防火性能(如低可燃性、低煙、低毒氣體排放)而被廣泛使用。玻璃纖維是飛機(jī)內(nèi)飾部件最常用的纖維。重量是改善飛機(jī)效率和性能的主要因素。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用輕質(zhì)復(fù)合材料可以顯著減輕飛機(jī)重量。

2.1固定翼飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

在許多飛機(jī)部件中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已成為傳統(tǒng)金屬的替代品。這主要?dú)w功于它們重量輕、強(qiáng)度高、耐用性好、耐腐蝕、抗疲勞和耐損傷特性好。復(fù)合材料在飛機(jī)相關(guān)技術(shù)中有著廣

泛的應(yīng)用,如上表所示。其中一些是機(jī)翼表面、壓縮機(jī)葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)艙門(mén)、風(fēng)扇葉片、直升機(jī)旋翼軸、渦輪葉片、渦輪軸、翼盒結(jié)構(gòu)等。新型波音787的機(jī)身采用了50%的復(fù)合材料。未來(lái)所有空客和波音飛機(jī)都將使用大量高性能復(fù)合材料,如下圖所示。

空客A380飛機(jī)上的復(fù)合材料應(yīng)用

聚合物基復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度和剛度,在航空航天領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)的鋁基合金。空中客車(chē)公司在空中客車(chē)A300飛機(jī)上使用了先進(jìn)復(fù)合材料。在波音777結(jié)構(gòu)中,石墨環(huán)氧樹(shù)脂尾翼是第一個(gè)復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)。在2020年投入使用的波音777X使用了復(fù)合材料機(jī)翼。

波音787飛機(jī)上的復(fù)合材料應(yīng)用

波音飛機(jī)通常將碳纖維增強(qiáng)塑料用于副翼、襟翼/升降舵、方向舵、起落架艙門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩艙門(mén)和整流罩。空客A320在機(jī)身腹部蒙皮、垂直尾翼、機(jī)身整流罩、機(jī)翼固定前緣/后緣底部檢修板、導(dǎo)流板、后緣襟翼、襟翼軌道整流罩、擾流板、副翼、前輪/主輪艙門(mén)、主起落架支柱整流罩艙門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和碳剎車(chē)中使用復(fù)合材料。空客各機(jī)型的復(fù)合材料使用總量為：空客  A300（5%）、空客  A310（7%）、空客  A320（15%）和空客  A330/A340（12%）。

2.2直升機(jī)旋翼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

直升機(jī)的抬升需要很大的力量來(lái)克服自重。直升機(jī)越重,就需要更大的發(fā)動(dòng)機(jī)和更堅(jiān)固的機(jī)身,這會(huì)影響零件的重量和成本。由復(fù)合材料制成的更堅(jiān)固的輕質(zhì)機(jī)身只需要一個(gè)小型發(fā)動(dòng)機(jī)，從而降低直升機(jī)的整體重量和成本。復(fù)合材料在直升機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用廣泛,包括駕駛艙、主旋翼和尾旋翼葉片、穩(wěn)定器和機(jī)身部件等各種部件,如下圖所示。

直升機(jī)的復(fù)合材料部件

蜂窩結(jié)構(gòu)采用鋁、玻璃纖維和碳纖維制成。它主要應(yīng)用于旋翼結(jié)構(gòu)，即主旋翼和尾旋翼結(jié)構(gòu)。數(shù)幾十年以來(lái),人們一直使用玻璃纖維增強(qiáng)旋翼葉片來(lái)提高抗疲勞性。大多數(shù)玻璃纖維箔片具有良好的結(jié)構(gòu)性能,可以提高升力和速度。

典型的蜂窩材料

芳綸蜂窩夾心碳纖維蜂窩材料

鋁葉片在接近40,000  次循環(huán)后會(huì)發(fā)生故障，而復(fù)合材料葉片則能通過(guò)超  500,000  次循環(huán)故障測(cè)試。

2.3 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)需要能夠承受極端條件的特殊材料，同時(shí)穩(wěn)定地為飛機(jī)提供能量和推力。一般來(lái)說(shuō)，材料需要具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐損傷、耐高溫、抗氧化和耐腐蝕性能的特性。通過(guò)使用整體編織陶瓷基復(fù)合材料(CMC),可以提高燃燒室入口溫度,同時(shí)最大限度地減少燃燒室襯套冷卻所需的冷卻劑氣體。

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的陶瓷材料

使用碳-碳復(fù)合材料的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件包括排氣噴嘴、襟翼、密封件、增強(qiáng)器、燃燒室和隔音板。碳-碳復(fù)合材料正用于F-100噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室噴嘴和渦輪葉輪等產(chǎn)品。整體編織CMC可有效冷卻燃燒室內(nèi)的高溫,在燃?xì)廨啓C(jī)的開(kāi)發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用。

與金屬材料相比，陶瓷材料密度較低，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的絕佳選擇。它們更適用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噴嘴的輕質(zhì)熱段部件，具有較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)使用壽命。

2.4飛機(jī)剎車(chē)中的應(yīng)用

碳纖維增強(qiáng)材料是一種高強(qiáng)度復(fù)合材料，它具有比重低，吸熱能力強(qiáng)的特點(diǎn)。這些材料具有

抗熱沖擊、抗損傷和抗高溫性能。由于上述特性,碳-碳復(fù)合材料在剎車(chē)方面有廣泛的應(yīng)用。它們的基本性能滿(mǎn)足著陸時(shí)正常和超重條件下的剎車(chē)要求。這些剎車(chē)設(shè)計(jì)目前正用于不同

的飛機(jī),如協(xié)和式客機(jī)、空客和波音系列。GE90發(fā)動(dòng)機(jī)也使用此種材料，以提高抗撞擊性能，抗撞擊損傷是防止鳥(niǎo)類(lèi)撞擊的重要設(shè)計(jì)。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重的部件。風(fēng)扇機(jī)匣由相對(duì)較輕的材料制成,例如鈦、鋁和碳纖維增強(qiáng)塑料。

碳?碳化硅/C?SiC  復(fù)合材料飛機(jī)剎車(chē)

2.5 飛機(jī)座椅、頭頂行李艙和地毯織物中的應(yīng)用

飛機(jī)內(nèi)飾部件包括不同單元組成的熱塑性組合物。聚合物包括雙酚、碳酸酯單元和單芳基芳基化物單元。或碳酸酯單元、單芳基芳基化物單元和硅氧烷單元，或包括兩種以上的上述聚合物的組合,可以作為飛機(jī)內(nèi)飾復(fù)合材料的組分。

飛機(jī)座椅結(jié)構(gòu)

多層聚合物或稱(chēng)為二氧化鈦(TiO2)  的復(fù)合材料具有雙重自清潔性能，具有光氧化和防粘性。基于這些特性，該材料被廣泛用于制作飛機(jī)座椅和地毯的織物 。

2.6 防雷組件中的應(yīng)用

因?yàn)殇X制飛機(jī)極佳的導(dǎo)電性，能夠消散雷擊產(chǎn)生的高電流。根據(jù)不同的電阻率特性,碳纖維對(duì)電流的電阻是鋁的 1,000 倍,而環(huán)氧樹(shù)脂在垂直于蒙皮時(shí)電阻是鋁的1,000,000 倍。

在以上區(qū)域，雷電在一定時(shí)間內(nèi)與機(jī)身結(jié)構(gòu)直接或間接接觸。當(dāng)飛機(jī)被擊中時(shí)，通道中的雷電流會(huì)流過(guò)飛機(jī)。防雷區(qū)域點(diǎn)或飛機(jī)機(jī)身采用碳纖維增強(qiáng)塑料制成，以防雷擊。外部復(fù)合材料部件的表面通常由一層導(dǎo)電材料制成，用于防雷擊，保護(hù)層位于飛機(jī)部件的頂部，如下圖所示。

復(fù)合防雷材料