復合材料是如何為航天工程帶來技術革命的？
20世紀60年代，纖維復合材料開始少量用于軍用飛機，而70年代開始在民用航空中使用，到了80年代，民用飛機制造商已將復合材料用于各種輔助機翼和尾翼結構件，例如方向舵和機翼后緣板。但是，隨著上大的客機-空中客車A380等新一代客機的問世，這些材料已被廣泛應用于主要的承載結構中。A380的機翼使用復合材料，這使每位乘客的燃油消耗比同類飛機低17％。
更輕、更堅固
復合材料（航空航天領域用主要是碳纖維/環氧樹脂復合材料）可以提供比金屬更好的強度/重量比，有時甚至高達20%。顯著的輕量化可使油耗和排放降低，同時由于塑料結構中需要較少的鉚接接頭，因而提高了空氣動力效率和降低制造成本。復合材料次出現時，航空業自然就受到了這種好處的吸引，但初是軍用飛機制造商抓住機會利用這些好處來提高其產品的速度和機動性。
民用飛機制造商在其機身上采用復合材料技術的速度較慢，原因有兩個：嚴格的民用適航要求阻止了未經驗證的材料的應用，并且在1980年代后期燃料價格持平，降低了新興客機設計對提高燃料效率的需要。然而，現在，憑借工業領域中使用復合材料方面的豐富經驗，以及在歐洲范圍內降低飛機排放量的背景下，充分發揮這項重要技術的潛力和價值是顯而易見的。
耐疲勞
碳纖維增強塑料（CFRP）是一種以環氧樹脂為基體采用碳纖維進行增強的材料，由于碳纖維優異強度而使CFRP具有很高的結構性能。相比之下，航空級鋁合金的極限強度通常為450 MPa（MPa兆帕——應力或壓力的單位，一兆帕約為大氣壓力的10倍），而碳纖維的極限強度為該值的5倍。此外，由于CFRP密度僅為鋁的60%，因此在機身應用中減輕重量的潛力也是顯而易見的。
作為復合材料增強纖維，也可以采用玻璃纖維、芳綸纖維和硼纖維，但是對于主承重結構，碳纖維在強度和成本上是佳的組合。除了強度和重量之外，纖維復合材料實際上還可以抵抗“疲勞”。相對較小的金屬裂紋會持續增長，正是這種漸進式裂紋現象導致了個德哈維蘭彗星設計在20世紀50年代噴氣機時代的消亡。然而，由于復合材料的結構——它們是非均勻的——裂紋將無法擴展。這意味著結構工程師可以在假定承受更高應力的情況下進行設計和分析，而對設計的結構的長期耐久性的關注則較少。
復合材料結構制造
在飛機結構領域應用時，CFRP通常以單向（UD）產品為主：厚度較薄的（約0.125–0.25 mm厚）薄板或平行纖維帶，預先浸漬了尚未固化的樹脂。這種材料非常適合在機身結構中廣泛使用的薄板的制造。制造商使用鋪帶機將這種材料一層一層地鋪放，形成單件子部件。
飛機結構復合材料大多是用碳纖維增強塑料，通過將將碳纖維固定在樹脂中以形成薄片或層，鋪層彼此疊置以形成子部件，材料的強度和剛度取決于鋪層的放置方向。
通過在不同方向鋪設連續的鋪層，可以調整構件的強度和剛度，從而以小的重量獲得足夠的結構性能?，F代的膠帶鋪帶機可以將整個機翼蒙皮制作成一個整體，消除了金屬設計中經常使用的緊固件，從而節省了制造成本，并進一步減輕了整體重量。為了完成制造過程，組件在高壓釜中固化，然后在高溫下對組件施加壓力，以將鋪層固結并硬化成碳/環氧樹脂層壓板的整體。
飛機應用
為了從CFRP的使用中獲得大利益，必須將纖維導至主應力方向。例如，飛機的機翼在起飛、著陸和飛行過程中會彎曲，這意味著機翼在整個翼展上都會受到應力的影響。為了支持這一點，工程師將高達60%的纖維沿著機翼蒙皮和翼展內部加強筋進行定向。此外，機翼蒙皮會受到平行應力（稱為剪應力）的影響，為了克服這一點，機翼蒙皮的方向為45°。機翼內部的部件，如設計用于承受剪切應力的翼梁和肋，由高達80%的45°層組成。這樣，鋪設層的方向確保材料體積和重量保持在與足夠強度一致的小值。
機翼內肋骨示意圖
從對結構工程師工作的影響來看，CFRP的出現已經帶來相當大的影響，他們現在可以有效地選擇所用材料的剛度特性。更進一步的是，工程師們還與空氣動力學專家合作，探索“氣動彈性剪裁”。飛機機翼的設計要知道機翼的形狀會影響升力和載荷分布，但升力和載荷分布也會改變機翼的形狀。通過采用氣動彈性剪裁，結構工程師可以生成機翼設計，使其在荷載增加時發生撓曲，從而減輕內部荷載的增加。CFRP特別適合這種類型的設計，因為通過在特定方向上定向纖維，可以修改層合板的剛度特性，以精確地響應所需的增加的載荷。
設計挑戰
上述有關CFRP的描述可能會讓人質疑，因為這一切是否都太好，以至于不可能是真的：這種神奇的材料難道沒有一些致命的弱點嗎？事實上，要實現標題數字所承諾的低重量和低成本仍然存在若干障礙。工程師們正在通過改進設計和新穎的制造工藝逐步克服困難，但目前的發展狀況是，所有學科的工程師都在尋找佳答案。
結構工程師面臨著損傷容限和分層的擔憂，但與金屬相比，他們還必須應對新材料耐受性較差的問題。金屬具有良好的可塑性：在高負荷下，它們在斷裂前經歷永久變形（即彎曲或拉伸）。因此，金屬結構可以吸收日常的小沖擊（導致凹痕），其基本強度幾乎沒有降低。可塑性可將高應力區域的載荷重新分配到較低應力區域，確保設計中固有的任何應力集中不會導致過早的結構破壞。相比之下，碳纖維/環氧樹脂復合材料幾乎沒有塑性。
因此，在使用中較小的撞擊往往會造成環氧樹脂基體的局部破裂，進而導致沖擊區域的層壓板減弱。此外，復合材料設計中的應力集中會在高載荷下導致結構突然失效。對于類似的金屬設計，由于載荷會重新分配，該過程將是漸進的，因為金屬可重新分配負載。結構工程師通過在設計時假設應力值比理論上設計時所需的理論值要低得多來克服這種損傷容限的問題，并且他們不得不接受強度計算復雜性的增加，以適應高荷載下CFRP更大的靈敏度。
應用領域
繼空客率先推出A380以及波音787中復合材料用量達到50%后，目前的一些大型飛機開發計劃正尋求在機翼和機身內更廣泛地使用復合材料。波音787這種革命性的飛機在制造大型無接縫機身部分時，采用了一種新型的“纏繞復合層”工藝，就像纏繞棉線盤一樣。
與此同時，下一代軍用空運飛機空客A400M也同樣擁有碳纖維復合材料制成的機翼。這種飛機被設計用來承受沙漠和田野等非正規著陸帶帶來的嚴重載荷，并且得益于碳纖維復合材料優越的抗疲勞性能。
空客A400M作為下一代軍用空運飛機，其機翼由碳纖維復合材料制成，而CFRP的應用使得飛機設計中材料的總強度重量比可以提高20%
除這些飛機外，下一代單通道客機將在其機身結構中廣泛采用碳纖維復合材料，這種客機在機隊中隨處可見，其有效載荷為100-180名乘客，飛行里程為1000-3000海里。
未來用途
研究指出，溫室氣體排放量的1.6%來自航空業，但航空旅行的需求將隨著我們的收入而增加。為了應對航空業對環境造成的威脅，歐洲航空研究咨詢委員會于2002年制定了到2020年將飛機排放的二氧化碳減少50%的目標。
通過廣泛使用碳纖維復合材料來減輕機身重量，只是為了達到這樣一個具有挑戰性的目標而必須采用的一系列技術之一。為了應對復合材料的廣泛使用所帶來的挑戰，英國民用航空航天界發起了下一代復合材料機翼（NGCW）研究計劃。航空業所面臨的環境障礙，或許是航空業100年歷史上所面臨的大障礙，采用CFRP是航空業克服這一障礙計劃的一個方面。NGCW計劃將使英國航空工業處于這些非常有前途的材料智能應用的前沿。
