民用飛機：復合材料的未來
從上世紀六七十年代以來，先進復合材料在民機上的應用從無到有，從少到多，用量占比越來越大，在波音787、空客A350上的用量占比已經達到甚至超過50%。由于復合材料能帶來民機結構的輕量化，并提高其可靠性、使用壽命和效能，因此可以斷言，復合材料在民機上的用量占比還會進一步擴大。
空客A350飛機上的復合材料用量高達52%
目前研究重點
雖然復合材料在民用飛機上的應用日益廣泛，但也存在一定的問題。例如，復合材料部分性能分散性大、損傷容限性能差、材料短缺、價格昂貴、工藝流程耗時長、 無損檢測和回收困難、缺乏全面的試驗數據和分析工具、修理維護技術要求較高等。這些問題限制了復合材料的進一步發展，而金屬材料的革新也給復合材料帶來了 一定的挑戰。
對于民用飛機來說，優的方案就是能夠在飛機性能和成本之間找到一個平衡點。民用飛機的研制要同時兼顧設計目標和市場目標，但總會有一方占主導。顯然，沒有大量的研發投入，很難同時實現降低40%成本和30%重量這兩個目標。
有鑒于此，以下幾個領域的研究值得重視：
1、制造技術。提升制造技術是降低成本和提升安全性的關鍵因素。更高的自動化程度、更好的質量控制、更少的機加成本、 更快的回收周期等，都將有效降低制造成本并提高安全性。近年來，自動鋪絲工藝、液體成型工藝、非熱壓罐注塑成型工藝，以及熱塑性材料和蜂窩材料自動制造技 術的發展及應用，都大大促進了復合材料制造成本的降低。
2、設計分析工具開發及仿真技術。只有對材料和工藝工程有足夠深入的了解，才能夠制定可行的新方案。否則，單一采用高安全系數，會使復合材料輕質的特點大打折扣，并且增加不必要的成本。高度一體化設計是開發復合材料設計與仿真工具，縮短研發周期、提高結構性能及可靠度的重大挑戰。一體化設計需要充分考慮材料和工藝的特點，并且將基本纖維結構、丟層、固化、膠結以及纖維和基體特點等主要影響結構性能的因素都考慮在內。這就要求將復雜纖維結構、丟層工藝、模具、固化與連接等獨立的模擬工具集成為一個設計工具，達到降低設計制造成本，同時提高結構性能的目的。
3、材料體系。隨著納米技術的不斷發展，越來越多形貌可控、性能優越的納米材料被應用于復合材料中，大大提高了復合材料的性能。然而，這些納米技術的可行性和成本問題還制約著實際應用，對于材料的基礎研究和工藝性能還有待進一步研究。
4、連接設計技術。連接性能的提升及其制造工藝的簡化將大大提升安全性并降低成本。該領域的幾個重要研究方向包括：低溫粘接技術、基于激光或微波加熱的先進固化技術、用于修理的脫粘技術、自動裝配技術等。
5、回收技術。隨著不斷提高的環保要求，飛機的回收在將來會越來越重要，可以使復合材料重新回收利用的材料回收技術是很有吸引力的。例如，通過特定的工藝將復合材料注入模具里，可以提升產品的力學性能或功能性（如電傳感性能或熱膨脹性能）。
多功能化發展
近年來，一些新型復合材料受到廣泛關注，特別是由碳納米管、石墨烯、氧化納米顆粒以及納米黏土聚合物等形成的復合材料已成為新型材料領域的研究熱點。
由于飛機的服役環境比較特殊，對新型材料的嚴格考核是其能夠得到有效使用的基本前提。因而，研究材料性能的內在機制并通過分析與試驗驗證揭示新材料的實際 功效，是新材料能否進一步得到實際應用的重要環節。近年來，納米物理的研究成果和納米材料增強的大尺度整體結構的成功開發，為多功能性納米增強復合材料開 辟了用于飛機防冰系統和結構健康監測的良好前景。
多功能復合材料與結構的發展速度很快，功能性也在不斷增強，如可用于超高溫服役環境的碳/碳復合材料、用于飛行器天線罩的高強輕質透波復合材料、用于翼面結構的智能材料和結構等等。
然而，現有多功能復合材料在滿足特殊功能要求的同時，在服役期其單一或多個功能性會有所退化。因而，目前材料與結構研究領域的另一個關注的焦點是多功能性 復合材料對于結構損傷容限的影響。盡管服役損傷或離散元損傷對一般復合材料結構完整性的影響效應已經有了大量的研究并且得到了比較好的理解，但多功能性復 合材料損傷對飛行安全方面的影響還有待進一步研究與探索。
其中有一種特殊情況很值得進一步研究，就是當結構基本保持完整時，多功能性復合材料中與在線服役品質密切相關的功能性已經有所退化。充分研究與透徹理解此類問題是多功能性復合材料與結構應用于飛機結構，以達到提高結構性能和減輕結構重量目的的一個重要前提。
智能復合材料與結構不僅能夠承受荷載，還可以改善飛機的噪音和排放，提高燃油效率。目前智能材料在飛機結構上的應用研究已不僅僅局限于改善其材料性質，更 重要的是其還能夠感知內外部環境的變化，并通過改變其物理性能或形狀等作出響應，使其可以在飛行任務的不同階段通過分別地優化使用不同結構組分或元件達到 提高性能的目的。
因而新型材料與結構領域的一個發展方向是在繼續保持整體結構件的構型與性能的前提下，將在特定環境條件下具有優化性能的不同元件用于結構布置中，以提高結構整體性能。
此類研究致力于在分析、試驗和制造的多個環節上對結構元件或輔助件的性能進行更深層次的開發。以壓電材料方面的研究成果為例，現在高性能壓電體的高溫耐受 能力已經提高到400℃，近年來對壓電葉片振動阻尼分析和實驗技術的持續研究，使得壓電材料成功應用在航空噴氣發動機復合材料風扇葉片上，并實現了減震阻 尼效應，進而進一步減低風扇葉片在運行中承受的動態應力等預期目標。
在材料與結構分析方面，研究人員致力于開發、集成并驗證以物理機理模型為基礎的跨尺度設計分析與優化方法和相應的計算工具。此類研究成果通過建立微觀尺度 機理與結構性能的聯系使得在先進復合材料、高溫金屬合金和智能材料等方面的研究更為細致深入，不僅為工程與材料科學家繼續探索新材料及其應用提供了便利的 設計分析手段，也推動了飛機結構上所需要的具有高耐久性等特殊性能的新材料與新結構的進一步開發。
目前比較受關注的此類研究包括復合材料結 構損傷與疲勞壽命預測技術研究、復合材料閃電致損和電磁防護機理模型研究、高效多尺度的超耐熱合金模擬分析研究和粒子改性聚合物的為損傷演化模型研究等。 另外，研究人員也正在致力于仿生材料與結構以及超微結構體的研究，并開發了飛機結構上的具有自感應和自修復功能的新材料與新結構。
空客A350飛機上的復合材料用量高達52%
目前研究重點
雖然復合材料在民用飛機上的應用日益廣泛，但也存在一定的問題。例如，復合材料部分性能分散性大、損傷容限性能差、材料短缺、價格昂貴、工藝流程耗時長、 無損檢測和回收困難、缺乏全面的試驗數據和分析工具、修理維護技術要求較高等。這些問題限制了復合材料的進一步發展，而金屬材料的革新也給復合材料帶來了 一定的挑戰。
對于民用飛機來說，優的方案就是能夠在飛機性能和成本之間找到一個平衡點。民用飛機的研制要同時兼顧設計目標和市場目標，但總會有一方占主導。顯然，沒有大量的研發投入，很難同時實現降低40%成本和30%重量這兩個目標。
有鑒于此，以下幾個領域的研究值得重視：
1、制造技術。提升制造技術是降低成本和提升安全性的關鍵因素。更高的自動化程度、更好的質量控制、更少的機加成本、 更快的回收周期等，都將有效降低制造成本并提高安全性。近年來，自動鋪絲工藝、液體成型工藝、非熱壓罐注塑成型工藝，以及熱塑性材料和蜂窩材料自動制造技 術的發展及應用，都大大促進了復合材料制造成本的降低。
2、設計分析工具開發及仿真技術。只有對材料和工藝工程有足夠深入的了解，才能夠制定可行的新方案。否則，單一采用高安全系數，會使復合材料輕質的特點大打折扣，并且增加不必要的成本。高度一體化設計是開發復合材料設計與仿真工具，縮短研發周期、提高結構性能及可靠度的重大挑戰。一體化設計需要充分考慮材料和工藝的特點，并且將基本纖維結構、丟層、固化、膠結以及纖維和基體特點等主要影響結構性能的因素都考慮在內。這就要求將復雜纖維結構、丟層工藝、模具、固化與連接等獨立的模擬工具集成為一個設計工具，達到降低設計制造成本，同時提高結構性能的目的。
3、材料體系。隨著納米技術的不斷發展，越來越多形貌可控、性能優越的納米材料被應用于復合材料中，大大提高了復合材料的性能。然而，這些納米技術的可行性和成本問題還制約著實際應用，對于材料的基礎研究和工藝性能還有待進一步研究。
4、連接設計技術。連接性能的提升及其制造工藝的簡化將大大提升安全性并降低成本。該領域的幾個重要研究方向包括：低溫粘接技術、基于激光或微波加熱的先進固化技術、用于修理的脫粘技術、自動裝配技術等。
5、回收技術。隨著不斷提高的環保要求，飛機的回收在將來會越來越重要，可以使復合材料重新回收利用的材料回收技術是很有吸引力的。例如，通過特定的工藝將復合材料注入模具里，可以提升產品的力學性能或功能性（如電傳感性能或熱膨脹性能）。
多功能化發展
近年來，一些新型復合材料受到廣泛關注，特別是由碳納米管、石墨烯、氧化納米顆粒以及納米黏土聚合物等形成的復合材料已成為新型材料領域的研究熱點。
由于飛機的服役環境比較特殊，對新型材料的嚴格考核是其能夠得到有效使用的基本前提。因而，研究材料性能的內在機制并通過分析與試驗驗證揭示新材料的實際 功效，是新材料能否進一步得到實際應用的重要環節。近年來，納米物理的研究成果和納米材料增強的大尺度整體結構的成功開發，為多功能性納米增強復合材料開 辟了用于飛機防冰系統和結構健康監測的良好前景。
多功能復合材料與結構的發展速度很快，功能性也在不斷增強，如可用于超高溫服役環境的碳/碳復合材料、用于飛行器天線罩的高強輕質透波復合材料、用于翼面結構的智能材料和結構等等。
然而，現有多功能復合材料在滿足特殊功能要求的同時，在服役期其單一或多個功能性會有所退化。因而，目前材料與結構研究領域的另一個關注的焦點是多功能性 復合材料對于結構損傷容限的影響。盡管服役損傷或離散元損傷對一般復合材料結構完整性的影響效應已經有了大量的研究并且得到了比較好的理解，但多功能性復 合材料損傷對飛行安全方面的影響還有待進一步研究與探索。
其中有一種特殊情況很值得進一步研究，就是當結構基本保持完整時，多功能性復合材料中與在線服役品質密切相關的功能性已經有所退化。充分研究與透徹理解此類問題是多功能性復合材料與結構應用于飛機結構，以達到提高結構性能和減輕結構重量目的的一個重要前提。
智能復合材料與結構不僅能夠承受荷載，還可以改善飛機的噪音和排放，提高燃油效率。目前智能材料在飛機結構上的應用研究已不僅僅局限于改善其材料性質，更 重要的是其還能夠感知內外部環境的變化，并通過改變其物理性能或形狀等作出響應，使其可以在飛行任務的不同階段通過分別地優化使用不同結構組分或元件達到 提高性能的目的。
因而新型材料與結構領域的一個發展方向是在繼續保持整體結構件的構型與性能的前提下，將在特定環境條件下具有優化性能的不同元件用于結構布置中，以提高結構整體性能。
此類研究致力于在分析、試驗和制造的多個環節上對結構元件或輔助件的性能進行更深層次的開發。以壓電材料方面的研究成果為例，現在高性能壓電體的高溫耐受 能力已經提高到400℃，近年來對壓電葉片振動阻尼分析和實驗技術的持續研究，使得壓電材料成功應用在航空噴氣發動機復合材料風扇葉片上，并實現了減震阻 尼效應，進而進一步減低風扇葉片在運行中承受的動態應力等預期目標。
在材料與結構分析方面，研究人員致力于開發、集成并驗證以物理機理模型為基礎的跨尺度設計分析與優化方法和相應的計算工具。此類研究成果通過建立微觀尺度 機理與結構性能的聯系使得在先進復合材料、高溫金屬合金和智能材料等方面的研究更為細致深入，不僅為工程與材料科學家繼續探索新材料及其應用提供了便利的 設計分析手段，也推動了飛機結構上所需要的具有高耐久性等特殊性能的新材料與新結構的進一步開發。
目前比較受關注的此類研究包括復合材料結 構損傷與疲勞壽命預測技術研究、復合材料閃電致損和電磁防護機理模型研究、高效多尺度的超耐熱合金模擬分析研究和粒子改性聚合物的為損傷演化模型研究等。 另外，研究人員也正在致力于仿生材料與結構以及超微結構體的研究，并開發了飛機結構上的具有自感應和自修復功能的新材料與新結構。
