復合材料在航空工業中的應用綜述
摘 要：本文主要介紹了復合材料在國內外航空工業中的應用狀況，強調了復合材料在航空領域中廣闊的應用前景。
1 前 言
為了適應現代國防建設和國民經濟發展的需要，現代航空正朝著高性能、長壽命、舒適性以及降低制造成本的方向發展。復合材料由于具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕、重量輕以及可設計性強等優良特性，采用特殊的增強相和基體還具有特殊的電磁性能和吸波隱身作用，體現了結構、功能一體化的特點，顯示出復合材料在航空工業中的廣泛應用前景，特別是近二十年來，復合材料的原材料和成型技術得到飛速發展，復合材料在國內外航空工業中得到了更廣泛的應用，特別是復合材料在幾大主要機型（如F-22,F-35,Typhoon,A380,B787）中的應用成功，更加增強了復合材料在航空工業中的應用前景。
2 復合材料在國外航空工業中的應用現狀
2.1 復合材料在軍用飛機上的應用
自上世紀六十年代初以來開始在國外軍用飛機上在研究使用復合材料，七十年代初開始在軍機的結構件上使用，經過多年努力，復合材料對軍用飛機的輕型化和提高機動性能起到了關鍵作用。
在軍用飛機上，其力學性能要求大量使用碳纖、維復合材料。玻璃鋼復合材料主要應用在一些有特殊電性能要求的功能結構件中，如機頭罩、天線罩和雷達罩等。
碳纖維自上世紀五十年代末在日本問世以來，六十年代開始實現工業化生產，隨即研制成功了碳纖維復合材料。由于碳纖維優良的比強度、比剛度等力學性能，七十年代碳纖維復合材料結構件先應用在軍用飛機結構件上。從碳纖維復合材料應用的循序漸進歷程來看，先應用在一些受力較小的結構件上，如艙門、口蓋、整流罩、副翼等，逐漸過渡到垂尾、平尾等受力較大的尾翼部件上，今天已應用到機身、機翼等主要受力件中。其中麥道飛機公司于1976年研制成功的“F-18”復合材料機翼可以說將復合材料的應用一個里程碑，它將復合材料的用量提高到了飛機總重量的13％，在八十年代，該公司又將復合材料應用在”AV-8B”飛機的機翼和前機身上，將復合材料的用量提高到26%，可以說將復合材料的應用推向了一個新的高度。[-page-]
今天，各國的軍用飛機無一例外都將復合材料的應用放在非常重要的地位，復合材料的應用已經成為軍用飛機減輕重量?提高性能的重要途徑，各國新的性能先進的軍機機翼無一列外的都采用了復合材料，如表1所示，機身也不同程度使用了復合材料。如美國的B-2，F-22，F-35，歐洲的Typhoon,瑞典的JAS39，俄羅斯C-37等，目前軍機上復合材料用量一般占飛機結構重量的20~50%。
歐洲的“臺風”是公認的三代半戰斗機，采用了40%的復合材料，見圖1。飛機表面的70% 都是碳纖維復合材料，只有15％是金屬材料?！芭_風”戰斗機將復合材料用于次要承力部件甚至是主承力部件，它的機翼除了蒙皮以外，里面的承力結構也是用復合材料制成的。大量的復合材料的應用，起到了減重、改善氣動外形和降低成本的作用。[-page-]
目前上唯一的第四代戰機，美國的F-2猛禽戰機，大量使用了復合材料，復合材料用量約占其結構總重的25%，見圖2，主要應用部位在機翼（包括蒙能上能下和部分梁、肋等）、垂尾、平尾和大軸、前機身和中機身蒙皮等。其中約17.2%為碳纖維雙馬樹脂復合材料，6.6％為碳纖維環氧樹脂復合材料，其余為熱塑性的復合材料。
[-page-]
2.2 復合材料在民用飛機上的應用
民用飛機強調安全性、舒適性，同時也強調使用性能，復合材料應用在民機上的一個顯著特點是能夠減輕重量，提升飛機的載荷能力和飛行距離。因此，在上世紀70年代，在先進復合材料構件誕生之初，民用飛機就開始了復合材料的應用研究。
民用飛機應用復合材料的過程和軍用飛機一樣也是循序漸進的過程，先應用在一些受力很小的構件上，如前緣、口蓋、整流罩等等，其次應用在升降舵、方向舵、副翼等一些次承力件上，發展到今天，復合材料已應用到平尾、垂尾等受力較大的部位，目前復合材料甚至突破性的應用到波音7t7的全機身。
美國（NASA）于1975年開始執行（ACEE）計劃(飛機節能計劃)，在飛機上應用復合材料次承力結構件（如方向舵等）,NASA又于1989年正式啟動了ACT（Advanced Composite Technology）計劃，該計劃旨在開展大型民機復合材料構件（如機身、機翼等）的發展研究工作，工作的重點是改進結構性能，減低成本，使之能與相對應的金屬結構件競爭。該計劃執行至今，取得了豐碩成果，如波音公司的B-777，據報道復合材料用量達近lOt，占飛機結構總重的11％，其它波音系列飛機也不同程度的使用了復合材料。
目前占市場份額近50%的歐洲客車工業集團公司，在70年代中期開始研制復合材料構件，八十年代初相繼研制成功了該公司系列飛機的復合材料方向舵和垂尾，如今，空客公司將復合材料的應用推向了一個新的高度，以目前空客公司新研制的A380客機為列，該機大量使用復合材料構件，占該機重量的20%，開創了民機大量使用復合材料的先河，見圖3。復合材料主要應用在該機的翼、外翼、平尾、垂尾、機身的地板梁和后部承壓框等部位，機身上壁板大量使用了混雜的復合材料板，機翼的前烽還使用了熱塑性復合材料。
[-page-]
美國波音公司的新型“B-7E7”夢想飛機，在需大幅度減輕重量，提高燃油效率的設計理念指引下，大量使用復合材料，復合材料的用量將占該機結構件重量的50%以上，全機主要結構件都采用復合材料，見圖4。包括機身、機翼、平尾、垂尾等部位。這是目前在民用飛機上復合材料用量占比例大的飛機。
復合材料在超大型飛機A380和B7E7上的成功應用，極大增強了航空界在民機中應用復合材料的決心，推動了復合材料在民機上的應用。
2.3復合材料在無人機中的應用
無人機包括靶機、無人作戰機和無人偵察機等。作為一種新型的航空作戰武器，由于其無需飛行員直接操縱、成本低和高機動等特點，并隨相關技術的發展，無人機在航程、隱身等技術方面得到了很大改善，目前受到各國的高度關注。無人機的長航時、高隱身、大過載和長壽命諸多特點給無人機設計帶來嚴峻挑戰，同時給復合材料的應用提供了很大的空間。目前復合材料在無人機上的應用一般占飛機重量的60~80％，而一些復合材料的用量達到90%以上，稱為全復合材料飛機。
以色列的先鋒（Pioneer）、搜索者（Searcher），美國的鷹眼（Eagle Eye）和英國的不死鳥（Phoenix）等均為復合材料飛機。[-page-]
美國的鷹（Global Hawk)高空長航時無人偵察機，見圖5，除機身主結構外，其余均為復合材料制成，包括機翼、尾翼、后機身和雷達罩等，其中復合材料機翼長35m。
3 復合材料在我國航空工業中的應用
我國航空界應用復合材料的歷史較短，上世紀七十年代剛剛對復合材料有所認識，七十年代中、后期開始對復合材料進行基礎性研究，由于當時的社會環境，復合材料的應用研究直到八十年代初才正式開始。隨著環氧、雙馬等中高溫樹脂的研制成功，復合材料的構件研究和應用才正式開始，目前，我國在復合材料中的應用主要集中在軍用飛機、無人機和直升機等機種上，復合材料在民用航空飛機中的應用目前已開始應用性研究，準備在即將開始的大型客機中有所應用。據統計，我國現有的第三代軍機中，復合材料使用量占結構重量的10% 以下，目前正在開始的第四代戰機研制，將復合材料的應用提高到很高的地位，預計復合材料的用量將顯具提高。無人機和直升機的復合材料使用量與先進水平相比任也有較大差距。出現目前這種差距的原因主要有以下幾點。
(1)我國航空工業對復合材料的認識程度有待加強，特別是一些設計部門，缺乏專業的復合材料設計，現有復合材料設計人員由金屬材料或其他非金屬材料設計兼任，難免對復合材料認識不夠或產生偏差，以致在設計中不敢大膽使用復合材料。[-page-]
(2)我國復合材料的基礎工業急待加強，特別是一些高性能的纖維和樹脂還必須依靠進口，這在一定程度上影響了復合材料的推廣應用。
(3)低成本復合材料成型技術的研究有待加強，我國的高性能復合材料構件普遍采用熱壓罐成型法，成本居高不下，這給復合材料在一些低價值的航空產品和民品中的推廣和使用增力口了難度。
(4)復合材料的基礎研究有待加強，近一、二十年，為盡快縮短與發達的差距，我國在復合材料的應用研究上，也取得了一批豐碩的成果，但在基礎研究上投入明顯不足，為了復合材料應用的長遠發展，應該加強基礎研究。
4 結束語
復合材料在航空工業中的應用，經過國內外同行的幾十年研究，已證明其在許多方面具有其他材料不可比擬的優勢，并且展示了廣闊的應用前景。我們在復合材料領域與發達相比，還有一定差距，需要我們不斷努力。
1 前 言
為了適應現代國防建設和國民經濟發展的需要，現代航空正朝著高性能、長壽命、舒適性以及降低制造成本的方向發展。復合材料由于具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕、重量輕以及可設計性強等優良特性，采用特殊的增強相和基體還具有特殊的電磁性能和吸波隱身作用，體現了結構、功能一體化的特點，顯示出復合材料在航空工業中的廣泛應用前景，特別是近二十年來，復合材料的原材料和成型技術得到飛速發展，復合材料在國內外航空工業中得到了更廣泛的應用，特別是復合材料在幾大主要機型（如F-22,F-35,Typhoon,A380,B787）中的應用成功，更加增強了復合材料在航空工業中的應用前景。
2 復合材料在國外航空工業中的應用現狀
2.1 復合材料在軍用飛機上的應用
自上世紀六十年代初以來開始在國外軍用飛機上在研究使用復合材料，七十年代初開始在軍機的結構件上使用，經過多年努力，復合材料對軍用飛機的輕型化和提高機動性能起到了關鍵作用。
在軍用飛機上，其力學性能要求大量使用碳纖、維復合材料。玻璃鋼復合材料主要應用在一些有特殊電性能要求的功能結構件中，如機頭罩、天線罩和雷達罩等。
碳纖維自上世紀五十年代末在日本問世以來，六十年代開始實現工業化生產，隨即研制成功了碳纖維復合材料。由于碳纖維優良的比強度、比剛度等力學性能，七十年代碳纖維復合材料結構件先應用在軍用飛機結構件上。從碳纖維復合材料應用的循序漸進歷程來看，先應用在一些受力較小的結構件上，如艙門、口蓋、整流罩、副翼等，逐漸過渡到垂尾、平尾等受力較大的尾翼部件上，今天已應用到機身、機翼等主要受力件中。其中麥道飛機公司于1976年研制成功的“F-18”復合材料機翼可以說將復合材料的應用一個里程碑，它將復合材料的用量提高到了飛機總重量的13％，在八十年代，該公司又將復合材料應用在”AV-8B”飛機的機翼和前機身上，將復合材料的用量提高到26%，可以說將復合材料的應用推向了一個新的高度。[-page-]
今天，各國的軍用飛機無一例外都將復合材料的應用放在非常重要的地位，復合材料的應用已經成為軍用飛機減輕重量?提高性能的重要途徑，各國新的性能先進的軍機機翼無一列外的都采用了復合材料，如表1所示，機身也不同程度使用了復合材料。如美國的B-2，F-22，F-35，歐洲的Typhoon,瑞典的JAS39，俄羅斯C-37等，目前軍機上復合材料用量一般占飛機結構重量的20~50%。
歐洲的“臺風”是公認的三代半戰斗機，采用了40%的復合材料，見圖1。飛機表面的70% 都是碳纖維復合材料，只有15％是金屬材料?！芭_風”戰斗機將復合材料用于次要承力部件甚至是主承力部件，它的機翼除了蒙皮以外，里面的承力結構也是用復合材料制成的。大量的復合材料的應用，起到了減重、改善氣動外形和降低成本的作用。[-page-]
目前上唯一的第四代戰機，美國的F-2猛禽戰機，大量使用了復合材料，復合材料用量約占其結構總重的25%，見圖2，主要應用部位在機翼（包括蒙能上能下和部分梁、肋等）、垂尾、平尾和大軸、前機身和中機身蒙皮等。其中約17.2%為碳纖維雙馬樹脂復合材料，6.6％為碳纖維環氧樹脂復合材料，其余為熱塑性的復合材料。
[-page-] 2.2 復合材料在民用飛機上的應用
民用飛機強調安全性、舒適性，同時也強調使用性能，復合材料應用在民機上的一個顯著特點是能夠減輕重量，提升飛機的載荷能力和飛行距離。因此，在上世紀70年代，在先進復合材料構件誕生之初，民用飛機就開始了復合材料的應用研究。
民用飛機應用復合材料的過程和軍用飛機一樣也是循序漸進的過程，先應用在一些受力很小的構件上，如前緣、口蓋、整流罩等等，其次應用在升降舵、方向舵、副翼等一些次承力件上，發展到今天，復合材料已應用到平尾、垂尾等受力較大的部位，目前復合材料甚至突破性的應用到波音7t7的全機身。
美國（NASA）于1975年開始執行（ACEE）計劃(飛機節能計劃)，在飛機上應用復合材料次承力結構件（如方向舵等）,NASA又于1989年正式啟動了ACT（Advanced Composite Technology）計劃，該計劃旨在開展大型民機復合材料構件（如機身、機翼等）的發展研究工作，工作的重點是改進結構性能，減低成本，使之能與相對應的金屬結構件競爭。該計劃執行至今，取得了豐碩成果，如波音公司的B-777，據報道復合材料用量達近lOt，占飛機結構總重的11％，其它波音系列飛機也不同程度的使用了復合材料。
目前占市場份額近50%的歐洲客車工業集團公司，在70年代中期開始研制復合材料構件，八十年代初相繼研制成功了該公司系列飛機的復合材料方向舵和垂尾，如今，空客公司將復合材料的應用推向了一個新的高度，以目前空客公司新研制的A380客機為列，該機大量使用復合材料構件，占該機重量的20%，開創了民機大量使用復合材料的先河，見圖3。復合材料主要應用在該機的翼、外翼、平尾、垂尾、機身的地板梁和后部承壓框等部位，機身上壁板大量使用了混雜的復合材料板，機翼的前烽還使用了熱塑性復合材料。
[-page-] 美國波音公司的新型“B-7E7”夢想飛機，在需大幅度減輕重量，提高燃油效率的設計理念指引下，大量使用復合材料，復合材料的用量將占該機結構件重量的50%以上，全機主要結構件都采用復合材料，見圖4。包括機身、機翼、平尾、垂尾等部位。這是目前在民用飛機上復合材料用量占比例大的飛機。
復合材料在超大型飛機A380和B7E7上的成功應用，極大增強了航空界在民機中應用復合材料的決心，推動了復合材料在民機上的應用。
2.3復合材料在無人機中的應用
無人機包括靶機、無人作戰機和無人偵察機等。作為一種新型的航空作戰武器，由于其無需飛行員直接操縱、成本低和高機動等特點，并隨相關技術的發展，無人機在航程、隱身等技術方面得到了很大改善，目前受到各國的高度關注。無人機的長航時、高隱身、大過載和長壽命諸多特點給無人機設計帶來嚴峻挑戰，同時給復合材料的應用提供了很大的空間。目前復合材料在無人機上的應用一般占飛機重量的60~80％，而一些復合材料的用量達到90%以上，稱為全復合材料飛機。
以色列的先鋒（Pioneer）、搜索者（Searcher），美國的鷹眼（Eagle Eye）和英國的不死鳥（Phoenix）等均為復合材料飛機。[-page-]
美國的鷹（Global Hawk)高空長航時無人偵察機，見圖5，除機身主結構外，其余均為復合材料制成，包括機翼、尾翼、后機身和雷達罩等，其中復合材料機翼長35m。
3 復合材料在我國航空工業中的應用
我國航空界應用復合材料的歷史較短，上世紀七十年代剛剛對復合材料有所認識，七十年代中、后期開始對復合材料進行基礎性研究，由于當時的社會環境，復合材料的應用研究直到八十年代初才正式開始。隨著環氧、雙馬等中高溫樹脂的研制成功，復合材料的構件研究和應用才正式開始，目前，我國在復合材料中的應用主要集中在軍用飛機、無人機和直升機等機種上，復合材料在民用航空飛機中的應用目前已開始應用性研究，準備在即將開始的大型客機中有所應用。據統計，我國現有的第三代軍機中，復合材料使用量占結構重量的10% 以下，目前正在開始的第四代戰機研制，將復合材料的應用提高到很高的地位，預計復合材料的用量將顯具提高。無人機和直升機的復合材料使用量與先進水平相比任也有較大差距。出現目前這種差距的原因主要有以下幾點。
(1)我國航空工業對復合材料的認識程度有待加強，特別是一些設計部門，缺乏專業的復合材料設計，現有復合材料設計人員由金屬材料或其他非金屬材料設計兼任，難免對復合材料認識不夠或產生偏差，以致在設計中不敢大膽使用復合材料。[-page-]
(2)我國復合材料的基礎工業急待加強，特別是一些高性能的纖維和樹脂還必須依靠進口，這在一定程度上影響了復合材料的推廣應用。
(3)低成本復合材料成型技術的研究有待加強，我國的高性能復合材料構件普遍采用熱壓罐成型法，成本居高不下，這給復合材料在一些低價值的航空產品和民品中的推廣和使用增力口了難度。
(4)復合材料的基礎研究有待加強，近一、二十年，為盡快縮短與發達的差距，我國在復合材料的應用研究上，也取得了一批豐碩的成果，但在基礎研究上投入明顯不足，為了復合材料應用的長遠發展，應該加強基礎研究。
4 結束語
復合材料在航空工業中的應用，經過國內外同行的幾十年研究，已證明其在許多方面具有其他材料不可比擬的優勢，并且展示了廣闊的應用前景。我們在復合材料領域與發達相比，還有一定差距，需要我們不斷努力。
