先进复合材料飞机发展探秘

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1、先进复合材料飞机发展探秘提要与传统上飞机使用的铝合金相比，复合材料不仅重量轻、强度好、劲度高、还耐热、耐腐蚀，又有很好的抗疲劳性，因此在讲求性能的军用飞机上应该是最受欢迎的材料。但事实上军用飞机上的复合材料使用重量百分比与人们预期的有很大的出入，原因在于复合材料价格较贵，而且航空工业界对复合材料也没充分信心。为鼓励航空工业界广泛使用复合材料，美国空军在2009年试飞了一架几乎全复合材料的货机，希望建立起工业界对复合材料的信心，进而开发出性能卓越的新航空器。复合材料是由强度较高的纤维（fiber）与强度低但能使纤维维持于一定位置的基体（matrix）材料所组成。纤维使基体的强度增加，而基体又

2、将纤维固结在一起，使各纤维平均分担负载，并保护纤维免于外界的机械性或化学性磨损，二者相得益彰。日常生活中我们常看见的钢筋混凝土就是复合材料的一种，其中钢筋就是纤维，而混凝土就是基体。复合材料会因不同的纤维成份而有不同的性能，即使同一成份的复合材料，由于纤维在基体中排列方向的不同，也会显示出千差万别的性能，人们就是利用这种差异使复合材料可以充分发挥其独特的性能，这是金属材料万万不及的。纤维+基体=复合材料发展简史复合材料在飞机上的运用早在第二次世界大战时就开始了，当时的飞机雷达罩就是用玻璃纤维强化塑料（Fiberglass-ReinforcedPlastic）制造的，但这只是普通的复合材料。

3、复合材料发展到今天，先进复合材料已成为主流，这种材料主要是由碳纤维（石墨纤维）、硼纤维、陶瓷（ceramic）纤维等，与环氧树脂（epoxy）、聚珗亚胺树脂（polyimide）等基体所组成的复合材料。P-61的透明玻璃纤维强化塑料雷达罩先进复合材料的发展，始于20世纪60年代对纤维丝（filament）及积层板（lamina）的研究，当时美国对复合材料的结构零件的设计与制造也不遗余力大力开发，这些努力的成果就是首次应用在F-14生产型水平尾翼上的硼纤维/环氧树脂复合材料蒙皮，皮与金属件相比，重量减轻18%。此时复合材料的应用只是作为金属的代用品，用在不承受主要负载的次要结构处，这样既能拥

4、有复合材料的轻重量优点，也比较能得到航空工业界低风险要求的认同。因此在随后几年中，C-5前缘缝翼（slat）、F-4的方向舵、F-5的襟翼、F-111的扰流板（spoiler）、F-15的减速板、B-1的武器舱门、C-17的副翼、F-16的起落架舱门……等，纷纷使用先进复合材料来减轻结构重量。当时航空工业界仍在摸索复合材料的特性，因此这些零件都不是主结构，以避免在大负载下影响飞行安全。F-15E的平尾和减速板采用了复合材料蒙皮1958年，美国俄亥俄州克里夫兰市（Cleveland）的帕马技术中心（ParmaTechnicalCenter），物理学家贝肯（RogerBacon）发现了高性能碳

5、纤维。在之后几年里，中心的科学家就开发出一套制造方法，把人造丝（rayon）经由热拉伸（hot-stretching）方式，让碳纤维分子对齐而增加纤维的劲度（stiffness），制造出高模数（high-modulus）的碳纤维。AV-8B的复合材料翼盒（wingbox）20世纪60年代中期，日本和英国的研究人员相继开发出不需热拉伸，而是经由氧化（oxidize）再碳化（carbonize）聚丙烯晴（Polyacrylonitrile，PAN）纤维，就可制出高强度（high-strength）、高模数的碳纤维。20世纪70至80年代中期，由于碳纤维/环氧树脂在性能和价格上都比硼纤维/环氧树

6、脂优异，所以成为最受欢迎的复合材料原料，被用于F-15、B-1、F-16的生产型结构件上。1978年，碳纤维复合材料开始用于制造战斗机主结构，如F-18和AV-8B的翼盒（wingbox），和金属件比较，这两种翼盒各减轻了11%和17%的重量。先进复合材料在早期应用于美国军机的情况请参见下表。美国生产型战斗机零件金属/复合材料重量比较结构件位置金属件重量（磅）复合材料件重量（磅）降低重量百分比后机身F-111平尾114286624F-14平尾100582518F-15平尾52739525F-5垂尾1198530机翼AV-8B机翼114394917F-18机翼1843164111机身AV-8

7、B前机身22917125B-1机背纵梁148582944控制面F-5襟翼342526B-1襟翼877316F-4方向舵644220其它位置C-5前缘缝翼24119021B-1前缘缝翼746118F-15减速板1128921A-7减速板1237440F-111扰流板201715F-16起落架舱门534220B-1武器舱门14712912这个时期复合材料在飞机结构上的应用取得了长足的发展，格鲁曼（Grumman）X-29前掠