先進樹脂基復合材料在航空工業中的應用
摘 要：本文先介紹了先進樹脂基復合材料的分類和發展現狀，然后概述了先進樹脂基復合材料在軍民飛機機體和航空發動機上的應用情況。
先進復合材料具有質輕、高強度、高模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設計、工藝性好，容易制造大型結構和整體結構，是理想的航空結構材料，在航空產品上得到廣泛的應用，已成為下一代飛機機體的主結構材料。根據美國航空航天局(NASA)的劃分，航空用各種先進復合材料可以分為以下幾種：樹脂基復合材料(PMC，工作溫度一般小于425℃)、金屬基復合材料(MMC,工作溫度為425~900℃)、金屬間化合物基復合材料(IMC,主要用于650~120℃)、陶瓷基復合材料(CMC,其工作溫度為1100~1650℃)以及碳/復合材料(C/C，其工作溫度在1800℃乃至更高一些)等，其中，尤以樹脂基復合材料在航空工業中的應用為廣泛。
1 先進樹脂基復合材料技術概述
先進樹脂基復合材料通常指的是采用高性能增強材料(主要為碳纖維)增強的環氧、雙馬等樹脂基結構復合材料。按樹脂類型的不同，樹脂基復合材料又分為熱固性樹脂基復合材料和熱塑性樹脂基復合材料。前者的基體樹脂在固化劑和溫度的作用下形成不溶不熔的體型高分子，其加工成形溫度較低，耐化學性也較好，但加工周期長、性脆。后者的基體樹脂為線型，支鏈型分子結構的高聚物，高溫熔融，冷卻即固結，其特點是加工周期短、韌性好、可重復回收再生，但成形溫度較高，耐化學性稍差。連續纖維增強的樹脂基復合材料具有各向異性和性能可設計性特點，可以按照工程結構的使用要求選用適當的組分材料和調整纖維方向，使設計的結構重量更輕、安全可靠和經濟合理。它的另一個特點是材料和結構雙重性，制造材料即制造結構。近年來，隨著在材料性能提高、工藝改進、成本降低等方面取得重大進展，先進樹脂基復合材料在軍民用飛機及航空發動機上的應用更加廣泛，圖1給出了當前先進樹脂基復合材料與輕金屬材料機械性能的比較。
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當前，航空用先進樹脂基復合材料大都為碳纖維增強熱固性樹脂復合材料，其中環氧樹脂占統治地位。代176℃固化的脆性環氧仍然是今天次承力和中等承力結構復合材料的主要樹脂。價格較高的第二代176℃固化的增韌環氧樹脂復合材料主要用于沖擊后壓縮強度和濕熱壓縮強度要求較高的承力結構。雙馬來酰亞胺樹脂(BMI)樹脂的研究起步稍晚，但發展和應用速度很快，它的使用溫度一般為150-250℃,多用于先進飛機(如美國第四代占機F-22)機身和機翼重要復合材料結構。目前以5250-4/IM7為代表的雙馬基高溫復合材料已發展到第二代，工作溫度達到177℃，廣泛用于軍機及民機高溫部位。高溫樹脂基體的開發工作主要集中于聚酰亞胺樹脂，其中負盛名的是PMR-15樹脂，已在發動機上得到了廣泛應用。由于鈦合金稀缺，聚酰亞胺預浸帶正研究用來替代500℃以下的鈦合金。此外，近些年來還在開發氰酸酯樹脂，此樹脂特別適于雷達罩復合材料和隱身結構復合材料。美國Amber公司開發的C740阻燃氰酸乙酯樹脂系統與碳纖維組成的材料固化的的工作溫度可達344℃，可用作無人機S-100的尾噴管及發動機。
目前，制造先進樹脂基復合材料結構的主要方法是預浸料-熱壓罐成形工藝，針對此法生產效率低、制造成本高和產品質量重復性較差等缺點，不少飛機公司和研究機構都在大力正在發展更為先進的能顯著提高生效益、縮短固化時間和裝配時間的制造技術，如采用縫合預形和3維編織預形增強體的樹脂轉移成形(RTM)法和樹脂膜熔浸法(RFI)、預浸纖維束自動鋪放技術、自動鋪帶技術和電子束固化等。
美國在先進樹脂基復合材料方面具有強大的、全面的研究和生產基地，綜合實力強，是上大的生產國和消費國，具有供應上大部分原材料的能力。美國的低成本復合材料技術的發展和機敏復合材料結構的研究計劃，其規劃和發展速度都遠超過其他，見表1。美國曾在國防關鍵技術中確立了分階段發展這種復合材料的目標：1995年前發展耐370℃的飛機結構用的樹脂基復合材料，至2000年樹脂基復合材料的成本降低40%，2005年推出能自檢結構損傷的全尺寸機敏(又稱智能)復合材料結構演示件。
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西歐某些方面于美國，如共固化技術、熱塑性樹脂基復合材料代表性樹脂-聚醚醚酮的供應和金屬薄板-纖維增強樹脂基復合材料層板。日本在碳纖維制造技術方面居地位，其品種、性能和產量均為一流，是碳纖維主要生產國。
2、先進樹脂基復合材料在軍機上的應用
軍用飛機不斷提高性能需求有力地推動了先進復合材料的開發研究，因為結構重量的變輕就意味著大的載重量、高機動性能和能夠短距起落等。目前，先進樹脂基復合材料已在軍用運輸機、第四代戰機、第三代直升機、高超聲速飛機、空天飛機以及無人機等機體結構上大量應用，從小型、簡單的次承力構件發展到大型、復雜的主承力構件，從單一的結構件發展到結構/吸波、結構/透波、結構/防彈等結構功能一體化構件，樹脂基復合材料所占機體結構重量百分比已成為衡量現代飛機先進性的主要標志之一，圖2給出了美歐部分已經服役戰機復合材料的含量。
為滿足新一代戰斗機高機動性、超音速巡航及隱身的要求，進入90年代后，美歐戰機無一例外的大量采用了復合材料結構，用量一般都在20%以上，有的甚至達到35%，結構減重效率達30%。如美國第四代戰機F-22復合材料用量已達到24%，即將服役的F-35增加至26%，而歐洲EF2000更是高達35~40%。復合材料應用部位幾乎遍布飛機的機體，包括垂直尾翼、水平尾翼、機身蒙皮以及機翼的壁板和蒙皮等，圖3給出了戰斗機典型的復合材料部件。[-page-]
為了提高大型軍用運輸機的有效載荷，復合材料也得到了廣泛應用。C-17是上世紀先進大型軍用運輸機的典型代表，C-17是1986年設計的，限于當時的水平，復合材料主要用于次要結構，如雷達罩、整流罩、操縱面、口蓋、翼梢小翼蒙皮等，復合材料重約7258k，占該機結構重量8.1%，其中碳纖維增強復合材料約占結構重量6%，玻璃纖維塑料、Kevlar纖維增強材料占2%。而歐洲EADS的A400M屬于新一代大型軍用運輸機，在材料應用技術上有了一個新的飛躍，主要表現為先進復合材料占結構重量的35%-40%。與C-17不同的是，在A400M上，碳纖維復合材料用于一些主承力結構如機翼大梁，而C-17的復合材料結構重量比僅為8%，且主要用于操縱面及次要結構。A400M的機身仍由傳統的鋁合金制成，但卻開創了采用碳纖維復合材料制造大型運輸機機翼的先河，機翼長達19米，除翼助外全部為復合材料整體件。
3、先進樹脂基復合材料在民機上應用
因為材料的選擇將直接影響到飛機的購買費用(原材料費用和加工成本)、燃油費用(飛機重量)和維護費用(檢查和維修)，所以在民用飛機設計當中，對材料的選擇非常關鍵。圖4給出了典型的民用飛機直接運營成本的分解情況，從圖中可以看出，民機的選材將直接影響到民機的運營費用。實踐表面，用樹脂基復合材料制造飛機部件比傳統航空材料通常減重20%~30%，使用和維護成本比金屬材料低15%~25%。
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除了費用以外，安全因素也是民用飛機設計選材時必須考慮的重要因素。航空選 材都必須有充分的使用基礎和詳細的性能數據庫，因此任何一種新材料(包括先進復合材料)在民用飛機上的應用都是漫長的(通常為5~10年)和昂貴的(為常用材料的1~5倍)。但是，航空安全對材料性能的苛刻要求又促使先進材料的發展，迫使工業界采取先進的制造技術來提高材料的性能降低成本。在這方面波音和空客都表現得非常相似。波音公司1980年開始在波音727升降舵上使用環氧基復合材料，并獲得了較理想的效益，然后逐步地擴展到波音737、747、767和777等系列機型，新一代波單787飛機，其復合材料用量已達到50%，并次采用了復合材料機身，見圖5。歐洲空中客車公司在應用復合材料方面也毫不遜色于美國的飛機制造公司，他們1983年在A310垂直安定面上次使用復合材料后，也逐步擴大到已有A300和其它新的研制的飛機上，到A320時飛機復合材料用量超過了結構重量的15%，再到A380型寬體客機其用量已占結構重量的22%，使用部位包括機翼、尾翼和機身結構等，見圖6。
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而該公司正在研制的新一代客機A350XWB，復合材料的應用比例更是高達52%。而一下代B737和A320預計復合材料用量將在55%以上。圖7為復合材料在波音和空客民用飛機上的使用情況，表2分別給出了目前復合材料在部分民用飛機上應用的分布情況。
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4、先進樹脂基復合材料在航空發動機上的應用
隨著航空發動機性能不斷提高，特別是重量不斷減輕，在依靠整體葉盤、整體葉環、空心葉片和對轉渦輪等新穎結構的同時，還將越來越多地依賴于高比強度、低密度、高剛度和耐高溫能力強的先進復合材料，見圖8。經過多年的研究和發展，由于樹脂基復合材料具有優良的低、中溫性能，而且在機體上的大量應用了積累了豐富的經驗，現已成功應用于航空發動機外涵機匣、靜子葉片、轉子葉片、包容機匣以及發動機短艙、反推力裝置等冷端部件，見表3。隨著樹脂基復合材料的歐美航空發動機上的應用越來越廣泛，其它也開始加緊行動，逐漸提高該國航空發動機上先進復合材料的應用水平，比如俄羅斯2008年5月就宣布，到2015~2016年航空發動機中的復合材料使用率將達到20%，屆時俄羅斯的發動機制造企業將會與主流航空發動機制造公司處于同一水平。
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5 結束語
先進樹脂基復合材料在航空工業中的應用符合辨證的邏輯關系，是技術推動和需求牽引雙重作用下的結果。一方面隨著在材料性能提高、工藝改進、成本降低等方面取得重大進展，先進樹脂基復合材料在航空工業中的應用更加廣泛，從而提高了軍民用飛機發動機的技術性能和經濟性能；另一方面新一代軍民用飛機及發動機的發展又對材料性能提出更高要求，迫使工業界采取先進的設計和制造技術來提高材料的性能和降低成本，從而又促使先進樹脂基復合材料的發展。所以，隨著材料技術的發展和新型飛行器的研制，先進樹脂基復合材料將在航空工業中得到越來越廣泛的應用。
先進復合材料具有質輕、高強度、高模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設計、工藝性好，容易制造大型結構和整體結構，是理想的航空結構材料，在航空產品上得到廣泛的應用，已成為下一代飛機機體的主結構材料。根據美國航空航天局(NASA)的劃分，航空用各種先進復合材料可以分為以下幾種：樹脂基復合材料(PMC，工作溫度一般小于425℃)、金屬基復合材料(MMC,工作溫度為425~900℃)、金屬間化合物基復合材料(IMC,主要用于650~120℃)、陶瓷基復合材料(CMC,其工作溫度為1100~1650℃)以及碳/復合材料(C/C，其工作溫度在1800℃乃至更高一些)等，其中，尤以樹脂基復合材料在航空工業中的應用為廣泛。
1 先進樹脂基復合材料技術概述
先進樹脂基復合材料通常指的是采用高性能增強材料(主要為碳纖維)增強的環氧、雙馬等樹脂基結構復合材料。按樹脂類型的不同，樹脂基復合材料又分為熱固性樹脂基復合材料和熱塑性樹脂基復合材料。前者的基體樹脂在固化劑和溫度的作用下形成不溶不熔的體型高分子，其加工成形溫度較低，耐化學性也較好，但加工周期長、性脆。后者的基體樹脂為線型，支鏈型分子結構的高聚物，高溫熔融，冷卻即固結，其特點是加工周期短、韌性好、可重復回收再生，但成形溫度較高，耐化學性稍差。連續纖維增強的樹脂基復合材料具有各向異性和性能可設計性特點，可以按照工程結構的使用要求選用適當的組分材料和調整纖維方向，使設計的結構重量更輕、安全可靠和經濟合理。它的另一個特點是材料和結構雙重性，制造材料即制造結構。近年來，隨著在材料性能提高、工藝改進、成本降低等方面取得重大進展，先進樹脂基復合材料在軍民用飛機及航空發動機上的應用更加廣泛，圖1給出了當前先進樹脂基復合材料與輕金屬材料機械性能的比較。
[-page-] 當前，航空用先進樹脂基復合材料大都為碳纖維增強熱固性樹脂復合材料，其中環氧樹脂占統治地位。代176℃固化的脆性環氧仍然是今天次承力和中等承力結構復合材料的主要樹脂。價格較高的第二代176℃固化的增韌環氧樹脂復合材料主要用于沖擊后壓縮強度和濕熱壓縮強度要求較高的承力結構。雙馬來酰亞胺樹脂(BMI)樹脂的研究起步稍晚，但發展和應用速度很快，它的使用溫度一般為150-250℃,多用于先進飛機(如美國第四代占機F-22)機身和機翼重要復合材料結構。目前以5250-4/IM7為代表的雙馬基高溫復合材料已發展到第二代，工作溫度達到177℃，廣泛用于軍機及民機高溫部位。高溫樹脂基體的開發工作主要集中于聚酰亞胺樹脂，其中負盛名的是PMR-15樹脂，已在發動機上得到了廣泛應用。由于鈦合金稀缺，聚酰亞胺預浸帶正研究用來替代500℃以下的鈦合金。此外，近些年來還在開發氰酸酯樹脂，此樹脂特別適于雷達罩復合材料和隱身結構復合材料。美國Amber公司開發的C740阻燃氰酸乙酯樹脂系統與碳纖維組成的材料固化的的工作溫度可達344℃，可用作無人機S-100的尾噴管及發動機。
目前，制造先進樹脂基復合材料結構的主要方法是預浸料-熱壓罐成形工藝，針對此法生產效率低、制造成本高和產品質量重復性較差等缺點，不少飛機公司和研究機構都在大力正在發展更為先進的能顯著提高生效益、縮短固化時間和裝配時間的制造技術，如采用縫合預形和3維編織預形增強體的樹脂轉移成形(RTM)法和樹脂膜熔浸法(RFI)、預浸纖維束自動鋪放技術、自動鋪帶技術和電子束固化等。
美國在先進樹脂基復合材料方面具有強大的、全面的研究和生產基地，綜合實力強，是上大的生產國和消費國，具有供應上大部分原材料的能力。美國的低成本復合材料技術的發展和機敏復合材料結構的研究計劃，其規劃和發展速度都遠超過其他，見表1。美國曾在國防關鍵技術中確立了分階段發展這種復合材料的目標：1995年前發展耐370℃的飛機結構用的樹脂基復合材料，至2000年樹脂基復合材料的成本降低40%，2005年推出能自檢結構損傷的全尺寸機敏(又稱智能)復合材料結構演示件。
[-page-] 西歐某些方面于美國，如共固化技術、熱塑性樹脂基復合材料代表性樹脂-聚醚醚酮的供應和金屬薄板-纖維增強樹脂基復合材料層板。日本在碳纖維制造技術方面居地位，其品種、性能和產量均為一流，是碳纖維主要生產國。
2、先進樹脂基復合材料在軍機上的應用
軍用飛機不斷提高性能需求有力地推動了先進復合材料的開發研究，因為結構重量的變輕就意味著大的載重量、高機動性能和能夠短距起落等。目前，先進樹脂基復合材料已在軍用運輸機、第四代戰機、第三代直升機、高超聲速飛機、空天飛機以及無人機等機體結構上大量應用，從小型、簡單的次承力構件發展到大型、復雜的主承力構件，從單一的結構件發展到結構/吸波、結構/透波、結構/防彈等結構功能一體化構件，樹脂基復合材料所占機體結構重量百分比已成為衡量現代飛機先進性的主要標志之一，圖2給出了美歐部分已經服役戰機復合材料的含量。
為滿足新一代戰斗機高機動性、超音速巡航及隱身的要求，進入90年代后，美歐戰機無一例外的大量采用了復合材料結構，用量一般都在20%以上，有的甚至達到35%，結構減重效率達30%。如美國第四代戰機F-22復合材料用量已達到24%，即將服役的F-35增加至26%，而歐洲EF2000更是高達35~40%。復合材料應用部位幾乎遍布飛機的機體，包括垂直尾翼、水平尾翼、機身蒙皮以及機翼的壁板和蒙皮等，圖3給出了戰斗機典型的復合材料部件。[-page-]
為了提高大型軍用運輸機的有效載荷，復合材料也得到了廣泛應用。C-17是上世紀先進大型軍用運輸機的典型代表，C-17是1986年設計的，限于當時的水平，復合材料主要用于次要結構，如雷達罩、整流罩、操縱面、口蓋、翼梢小翼蒙皮等，復合材料重約7258k，占該機結構重量8.1%，其中碳纖維增強復合材料約占結構重量6%，玻璃纖維塑料、Kevlar纖維增強材料占2%。而歐洲EADS的A400M屬于新一代大型軍用運輸機，在材料應用技術上有了一個新的飛躍，主要表現為先進復合材料占結構重量的35%-40%。與C-17不同的是，在A400M上，碳纖維復合材料用于一些主承力結構如機翼大梁，而C-17的復合材料結構重量比僅為8%，且主要用于操縱面及次要結構。A400M的機身仍由傳統的鋁合金制成，但卻開創了采用碳纖維復合材料制造大型運輸機機翼的先河，機翼長達19米，除翼助外全部為復合材料整體件。
3、先進樹脂基復合材料在民機上應用
因為材料的選擇將直接影響到飛機的購買費用(原材料費用和加工成本)、燃油費用(飛機重量)和維護費用(檢查和維修)，所以在民用飛機設計當中，對材料的選擇非常關鍵。圖4給出了典型的民用飛機直接運營成本的分解情況，從圖中可以看出，民機的選材將直接影響到民機的運營費用。實踐表面，用樹脂基復合材料制造飛機部件比傳統航空材料通常減重20%~30%，使用和維護成本比金屬材料低15%~25%。
[-page-] 除了費用以外，安全因素也是民用飛機設計選材時必須考慮的重要因素。航空選 材都必須有充分的使用基礎和詳細的性能數據庫，因此任何一種新材料(包括先進復合材料)在民用飛機上的應用都是漫長的(通常為5~10年)和昂貴的(為常用材料的1~5倍)。但是，航空安全對材料性能的苛刻要求又促使先進材料的發展，迫使工業界采取先進的制造技術來提高材料的性能降低成本。在這方面波音和空客都表現得非常相似。波音公司1980年開始在波音727升降舵上使用環氧基復合材料，并獲得了較理想的效益，然后逐步地擴展到波音737、747、767和777等系列機型，新一代波單787飛機，其復合材料用量已達到50%，并次采用了復合材料機身，見圖5。歐洲空中客車公司在應用復合材料方面也毫不遜色于美國的飛機制造公司，他們1983年在A310垂直安定面上次使用復合材料后，也逐步擴大到已有A300和其它新的研制的飛機上，到A320時飛機復合材料用量超過了結構重量的15%，再到A380型寬體客機其用量已占結構重量的22%，使用部位包括機翼、尾翼和機身結構等，見圖6。
[-page-] 而該公司正在研制的新一代客機A350XWB，復合材料的應用比例更是高達52%。而一下代B737和A320預計復合材料用量將在55%以上。圖7為復合材料在波音和空客民用飛機上的使用情況，表2分別給出了目前復合材料在部分民用飛機上應用的分布情況。
[-page-] 4、先進樹脂基復合材料在航空發動機上的應用
隨著航空發動機性能不斷提高，特別是重量不斷減輕，在依靠整體葉盤、整體葉環、空心葉片和對轉渦輪等新穎結構的同時，還將越來越多地依賴于高比強度、低密度、高剛度和耐高溫能力強的先進復合材料，見圖8。經過多年的研究和發展，由于樹脂基復合材料具有優良的低、中溫性能，而且在機體上的大量應用了積累了豐富的經驗，現已成功應用于航空發動機外涵機匣、靜子葉片、轉子葉片、包容機匣以及發動機短艙、反推力裝置等冷端部件，見表3。隨著樹脂基復合材料的歐美航空發動機上的應用越來越廣泛，其它也開始加緊行動，逐漸提高該國航空發動機上先進復合材料的應用水平，比如俄羅斯2008年5月就宣布，到2015~2016年航空發動機中的復合材料使用率將達到20%，屆時俄羅斯的發動機制造企業將會與主流航空發動機制造公司處于同一水平。
[-page-] 5 結束語
先進樹脂基復合材料在航空工業中的應用符合辨證的邏輯關系，是技術推動和需求牽引雙重作用下的結果。一方面隨著在材料性能提高、工藝改進、成本降低等方面取得重大進展，先進樹脂基復合材料在航空工業中的應用更加廣泛，從而提高了軍民用飛機發動機的技術性能和經濟性能；另一方面新一代軍民用飛機及發動機的發展又對材料性能提出更高要求，迫使工業界采取先進的設計和制造技術來提高材料的性能和降低成本，從而又促使先進樹脂基復合材料的發展。所以，隨著材料技術的發展和新型飛行器的研制，先進樹脂基復合材料將在航空工業中得到越來越廣泛的應用。
