复合材料在飞机结构中的使用总结

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1、复合材料在飞机结构中的应用——宋锋涛复合材料具有比强度和比刚度高、性能可设计和易于整体成形等诸多优点，其用于飞机结构上，可比金属结构明显减重，并可改善飞机气动弹性特性，提高飞行性能。大概从20世纪40年代，玻璃/环氧树脂复合材料开始应用于操纵面、整流罩和雷达罩等航空部件。60年代复合材料最初的应用是Boron/epoxy(硼/环氧基树脂)的F-14的水平安定面蒙皮和F-15水平与垂直安定面蒙皮。第一个Carbon/Epoxy(碳/环氧基树脂)在军机上的应用是F-15的减速板。70年代研制的F/A-18A/B，采用了Carbon/3501-5

2、复合材料机翼、控制面、垂尾和机身蒙皮，占结构重量的12%。70年代后期研制了AV-8B(英国鹞式战斗机垂直起降)，当时使用复合材料的动力是追求性能和减重，复合材料用量占结构重量的28%，主要的材料是Carbon/3501-6epoxy，用于机翼蒙皮、控制面、前机身蒙皮前中央机身蒙皮，并开始用于机翼、控制面和机身骨架，在受热零件上使用了BMI(双马来酰亚胺树脂是热固性树脂，加工简单，可在200℃以上的高温下，其机械强度和电气性能仍保持较好。其在电气电子、精密机械、汽车、航空航天等领域有着较高的评价，具有广阔的应用前景。)。上世纪80年代复合材

3、料在飞机结构上增加应用的目的是隐身，在此期间研制的F-117和B2，复合材料用量占结构重量的40%，主要使用Carbon/epoxy，以及一些特殊的树脂和增强体。上世纪90年代复合材料在军机上的用量有所降低(F/A-18E/F和F-22的用量为22-26%)，追求减重（性能）变为要考虑成本因素。这一点从图1可以看到。C-17大型运输机的改进型机的次承力结构使用了复合材料，减重20%（213kg），零件减少90%（2000个），紧固件减少80%（42000个），工装减少70%，成本降低50%。图1以下是美国的F-35战斗机使用复合材料情况。图

4、2而且目前复合材料已在直升机上得到广泛应用，具体如表1所示。如美国的武装直升机RAH-66，其复合材料用量达结构重量的50%以上。美国的垂直起落、倾转旋翼后又可高速巡航的V-22(鱼鹰)，几乎是一个全复合材料飞机。甚至已经出现了小型的全复合材料飞机。著名的“星舟一号”客货两用机已通过适航鉴定；举世闻名的“旅游者”曾创下不加油、不着陆，连续9天环球飞行的世界纪录。表1直升机上复合材料使用情况型号H-34CH-53EUH-60AS-76RAH-66技术水平50年代60年代70年代80年代90年代金属材料87%85%72%59%22%复合材料-5

5、%12%18%50%其他材料13%10%16%23%28%以上是复合材料在军机上的应用。复合材料在民机结构中应用长期以来主要在尾翼级结构，主要原因是如何突破成本问题。本世纪中，随着A380，Boeing787和A350在机翼和机身结构中复合材料的大量应用，标志着低成本复合材料技术已突破，新纪元已到来，民机结构的复合材料用量得到了大幅度增加。由图3可知复合材料在空客、波音等明航大飞机上的用量逐年增加。图4更加直观的看到了这一点。空客A380在主要承力构件上采用复合材料。复合材料用量占结构总重的25％，其中机身上壁板、上层客舱地板梁、垂直安定面

6、、翼肋、机翼后缘操纵面、中央翼盒、后压力隔框等处大量应用复合材料。图3新一代大型客机复合材料应用现状图4干线客机各种材料结构重量百分比（%）由以上的波音787飞机和空客A350飞机结构复合材料应用的历史性突破，表明大型客机结构已进入复合材料化时代。当前复合材料发展的趋势是用热塑性复合材料代替传统的热固性环氧复合材料。主要原因是热塑性复合材料加工非常简单，通过简单加热、熔化及冷却成型，可以像金属一样进行焊接，在2012年服役的G650，飞机是用的Cetex热塑性复合材料制造方向舵，在民机主承力结构上就是用热塑性复合材料。