先进航空树脂基复合材料研究与应用进展

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1、102009年中国工程塑料复合材料技术研讨会论文集先进航空树脂基复合材料研究与应用进展益小苏张明安学锋刘立朋(中航工业北京虢空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室，北京100095)摘要综述了国外先进航空复合材料在民机和军机上的研究与应用进展，指出了先进复合材料在航空领域发展的方向和趋势，简述了先进复合材料国防科技重点实验室在以上方向上的研究进展。关键词树脂基复合材料高韧性低成本技术整体制造数字化树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、力学性能可设计性强等一系列优点，是轻质高效结构设计最理想的材料【1】。用复

2、合材料设计的航空结构可实现20％一30％的结构减重；复合材料优异的抗疲劳和耐腐蚀性，能提高飞机结构的使用寿命，降低飞机结构的全寿命成本；复合材料结构有利于整体设计和制造，可在提高飞机结构效率和可靠性的同时，采用低成本整体制造工艺降低制造成本，因此，复合材料的应用和发展是大幅提高飞机安全性、经济型等市场竞争指标的重要保证，复合材料的用量已成为衡量飞机先进性和市场竞争力的重要标志。进入2l世纪以来，复合材料技术在军用和民用飞行器上的应用不断增加，据统计，从2003至2008年的5年期间，航空航天领域碳纤维复合材料的

3、增长达到123％，平均每年增长约25％。例如美国第四代战斗机I；'22上复合材料用量达24％，F35达到35％，欧洲EF2000的复合材料用量高达40％，RAH一66攻击直升机复合材料用量为51％。在民用航空方面，空中客车公司研制的A380复合材料用量将达结构质量的25％，单机用量约60．5吨，美国波音787复合材料用量将达结构质量的50％，单机用量为25吨，可以看出先进碳纤维复合材料已经成为先进航空武器装备的主体材料。先进航空器核心性能的提升依赖于包括复合材料技术在内的关键技术的突破。目前，我国大飞机等国家重

4、点工程中的相关复合材料研制计划已陆续启动，而我国的复合材料在技术与应用水平上均落后航空发达国家，在航空领域，“一代材料、一代飞机”，“一代材料、一代装备”旧j，作为航空主要材料之一的先进树脂基复合材料，其发展方向和趋势必须建立在对国外航空复合材料发展和应用分析的基础上，以便明确先进航空器对复合材料的需求和目前国内的差距，为制定我国复合材料及其制造技术的发展策略，促进复合材料快速发展，确保国家航空重点工程的完成奠定基础。1国外先进航空树脂基复合材料研究与应用进展国外军机和民机复合材料的应用均可以分为三个阶段旧。J

5、，其时间段上虽有小的出入，但基本上都经历了从次承力构件——尾翼级主承力构件——机翼——机身主承力构件的发展过程，目前已成为飞机结构的主要材料(见表l和表2L41)。表l国外军机上复合材料应用的具体情况机种国别用摄应用部位首飞时间Rafale法国30％垂尾、机翼、机身结构的50％1986芷JAS一39瑞典30％机翼、垂尾、前翼、舱门等1988焦F一22美国25％机翼、前中机身、垂尾平尾及大轴1990年英、德、EF一200c40％机翼、前中机身、垂尾、前翼1994年意、西F一35美国35％机翼、机身、垂尾、平尾、进

6、气道2000年Su一39俄罗斯199r7年机翼、进气道、机身、保形外挂架等V22美国45％机翼、机身、发动机悬挂1989钜接头、叶片紧固装置等RAH一66美国5l％机身蒙皮、舱门、中央龙骨1995年大梁、整流罩、旋翼等表2民用客机复合材料用量最大起飞结构质复合材料机型质量／吨量／吨用量／吨图204(150—186座)93．529．43．2伊尔96(187—250座)230654．02B一757(200座)1151．4B一767(200—300座)1871．5B一777(350座以上)2309．9A一300(25

7、l一350座)165516．2A一310(187—250座)15044．76．2A一320(150—186座)7220．84．5A一340(25l一350座)23576llA一380(550～990座)56027560．S图I示出国外复合材料在军机和民机上的应用过程。由图l可以看出，不管是军机，还是民机，随着其先进性的增加，复合材料的用量也在提高，这充分说明了复合材料的用量已成为衡量飞机先进陛的重要标志。《m#．*：％mn#Ml自《￡e##m％々＆月女＆日1目，F{o##nE目L±R月∞ng在材料体系方面，国外

8、已经具备完整的材料体系，具备全面的材料性能数据库，为复台材料的应用提供了重要依据；在材料应用方面，出于对降低成本的考虑．国外趋于尽量选用较少的材料品种，实现一材多用目标；在材料研制方面，发展高韧性、高耐湿热和良好工艺性能的材料体系成为研究的重要方向。国外先进飞机结构基本采用第二代以上韧性树脂复合材料，先进民机或运输机主承力结构全部秉用第四代韧性树脂复合材料(见图2)。_●^_{8“11