第一篇：復合材料在飛機上的應用（本站推薦）

復合材料在飛機航空中的應用與發(fā)展

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姓名：西安航空職業(yè)技術(shù)學院 金屬材料與熱處理技術(shù) 12806216 郭遠

摘要

復合材料在飛機上的用量和應用部位已成為衡量飛機結(jié)構(gòu)先進性的重要指標之一；復合材料構(gòu)件的整體成型、共固化技術(shù)不斷進展，復雜曲面構(gòu)件不斷擴大應用；復合材料的數(shù)字化設(shè)計，設(shè)計、制造一體化，以及基于三維模型鋪層展開的專用設(shè)計／制造軟件等技術(shù)的開發(fā)是先進復合材料發(fā)展的基本技術(shù)保障.復合材料在飛機航空中的應用與發(fā)展

復合材料大量用于航空航天工業(yè)和汽車工業(yè)，特別是先進碳纖維復合材料用于飛機尤為值得注意。不久前，碳纖維復合材料只能在軍用飛機用作主結(jié)構(gòu)，但是，由于技術(shù)發(fā)展的進步，先進復合材料已開始在民航客機止也應用作主結(jié)構(gòu)，如機身、機翼等。

一．飛機結(jié)構(gòu)用復合材料的優(yōu)勢

現(xiàn)今新一代飛機的發(fā)展目標是“輕質(zhì)化、長壽命、高可靠、高效能、高隱身、低成本”。而復合材料正具備了上面的幾個條件，成為實現(xiàn)新一代飛機發(fā)展目標的重要途徑。

復合材料具有質(zhì)輕、高強、可設(shè)計、抗疲勞、易于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化等優(yōu)點，因此，繼鋁、鈦、鋼之后迅速發(fā)展成為四大飛機結(jié)構(gòu)材料之一。

復合材料在飛機結(jié)構(gòu)上的應用首先帶來的是顯著的減重效益，復合材料尤其是碳纖維復合材料其密度僅為1.6g/cm3左右，如等量代替鋁合金，理論上可有42%的減重效果。

近年來隨著復合材料技術(shù)的深入研究和應用實踐的積累，人們清楚地認識到：復合材料在飛機結(jié)構(gòu)上應用效益絕不僅僅是減重，而且給設(shè)計帶來創(chuàng)新舞臺，通過合理設(shè)計，還可提供諸如抗疲勞、抗振、耐腐蝕、耐久性和吸透波等其它傳統(tǒng)材料無法實現(xiàn)的優(yōu)異功能特性，可極大地提高其使用效能，降低維護成本，增加未來發(fā)展的潛力和空間。尤其與鋁合金等傳統(tǒng)材料相比，可明顯減少使用維護要求，降低壽命周期成本，特別是當飛機進入老齡化階段后效果更明顯，據(jù)說B787較之B767機體維修成本會降低30％，這在很大程度上應歸功于復合材料的大量應用。同時，大部分復合材料飛機構(gòu)件可以整體成型，大幅度減少零件數(shù)目，減少緊固件數(shù)目，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低連接和裝配成本，從而有效地降低了總成本，如F/A-18E/F零件數(shù)減少42%，減重158kg。復合材料整體成型技術(shù)還可消除縫隙、臺階和緊固件，無疑對提高軍機的隱身性能也具有非常重要的貢獻。

二．飛機結(jié)構(gòu)用復合材料的發(fā)展過程 先進復合材料于上世紀60年代中期一問世，即首先用于飛行器結(jié)構(gòu)上。30多年來先進復合材料在飛機結(jié)構(gòu)上應用走過了一條由小到大、由次到主、由局部到整體、由結(jié)構(gòu)到功能、由軍機應用擴展到民機應用的發(fā)展道路。

1.復合材料在軍用飛機上的發(fā)展過程

縱觀國外軍機結(jié)構(gòu)用復合材料所走過的道路，大致可分為三個階段： 第一階段復合材料主要用于受力較小或非承力件，如艙門、口蓋、整流罩以及襟副翼、方向舵等，大約于上世紀70年代初完成。

第二階段復合材料主要用于垂尾、平尾等尾翼一級的次承力部件，以F-14硼/環(huán)氧復合材料平尾于1971年研制成功作為標志，基本于上世紀80年代初完成。此后F-

15、F-

16、F-

18、幻影2000和幻影4000等均采用了復合材料尾翼，此時復合材料用量大約只占全機結(jié)構(gòu)重量的5%。

第三階段復合材料開始應用于機翼、機身等主要的承力結(jié)構(gòu)，受力很大，規(guī)模也很大。主要以1976年美國原麥道公司研制成功FA-18復合材料機翼作為里程碑，此時復合材料用量已提高到了13%，軍機結(jié)構(gòu)的復合材料化進程進一步得到推進。此后世界各國所研制的軍機機翼一級的部件幾乎無一例外地都采用了復合材料，其復合材料用量不斷增加，如美國的AV-8B、B-

2、F/A-

22、F/A-18E/F、F-

35、法國的“陣風”（Rafale）、瑞典的JAS-

39、歐洲英、德、意、西四國聯(lián)合研制的“臺風”（EF2000）、俄羅斯的C-37等，具體如表1所示。

應該指出繼機翼、機身采用復合材料之后，飛機的最后一個重要部件——起落架也開始了應用復合材料，向著全機結(jié)構(gòu)的復合材料化又邁進了一步。復合材料用在起落架上是代鋼而不是代鋁，可有更大的減重空間，一般可達40%左右。

2.復合材料在民用航空上的發(fā)展

繼軍機之后，國外大型民機也大量采用復合材料，以波音飛機為例，其進程大致走過了四個階段：第一階段：采用復合材料制造受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構(gòu)件，該階段于上世紀70年代中期實現(xiàn)。第二階段：制造升降舵、方向舵、襟副翼等受力較小的部件，該階段約于80年代中期結(jié)束。第三階段：制造垂尾、平尾受力較大的部件，突破了尾翼級部件在大型客機上的試用，隨后B777設(shè)計應用了復合材料垂尾、平尾，共用復合材料9.9噸，占結(jié)構(gòu)總重的11%。第四階段：在飛機最主要受力部件機翼、機身上正式使用復合材料，如波音公司正在研制的B787“夢想”飛機，其復合材料用量達50％。下圖為B787“夢想”中復合材料的使用情況。

圖中深藍色部分為飛機的碳層合板，用于機身主體的機構(gòu)，淺藍色為碳夾芯板，用于飛機的尾翼部分和側(cè)翼的少部分部件，綠色部分是玻璃纖維，紅色部分為鋁，黃色部分為鋁/鋼/鈦吊架。

空客也于70年代中期開始了先進復合材料在其A300系列飛機上的應用研究，經(jīng)過7年時間于1985年完成了A320全復合材料垂尾的研制，此后A300系列飛機的尾翼一級的部件均采用復合材料，將復合材料的用量迅速推進到了15%左右。已于2005年初下線并首飛的A380超大型客機，其復合材料用量達25%，主要應用部位包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、機身地板梁和后承壓框等，開創(chuàng)了先進復合材料在大型客機上大規(guī)模應用的先河。

上面的圖為空客大型民機結(jié)構(gòu)用復合材料的進程。

3.復合材料在我國飛機制造的應用

我國于上世紀 70 年代已開展軍機用先進復合材料的研究?！傲濉逼陂g作為預研項目研制了兩個機型的復合材料垂尾，1985 年開始研制某型機帶整體油箱的復合材料機翼，90 年代初研制了某型機復合材料垂尾和前機身，此后多種機型均正式采用了復合材料，其復合材料用量接近10％。

雖然我國在航空和汽車領(lǐng)域中，對于復合材料已經(jīng)有了一定的了解和應用，但是復合材料的開發(fā)和投用在我國仍是一個重大的難點，我國航天事業(yè)起步慢，也沒有核心技術(shù)的支持，但是我相信，在長期的努力之下，我們國家一定會擁有自己的復合材料的技術(shù)，并用于飛機，汽車等的制造中。

三．飛機結(jié)構(gòu)復合材料在將來的發(fā)展及前景

人們以前一直擔心樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)的使用壽命問題，30多年來的應用發(fā)展歷史證明了先進復合材料具有優(yōu)異的使用性能，使用壽命不成問題，這也是目前飛機結(jié)構(gòu)復合材料用量大幅提高的基礎(chǔ)和前提。自20世紀70年代先進復合材料進入飛機結(jié)構(gòu)以來，各種飛機從未因大量使用復合材料引發(fā)飛行事故，這無疑為復合材料的應用增加了信心和安全置信度。最早的裝機件歷經(jīng)30余年的使用，已到設(shè)計的使用壽命，最近的檢測結(jié)果表明，空中使用和地面驗證情況相符，疲勞和使用環(huán)境未造成剩余強度下降，仍可承受既定的設(shè)計載荷，絕大多數(shù)制件至今仍處于良好狀態(tài)。曾以為樹脂基復合材料的老化可能是影響使用的嚴重問題，國外的大量使用經(jīng)驗證明，老化不成問題，性能衰退未超過使用要求。同時使用經(jīng)驗還表明，復合材料隨飛機結(jié)構(gòu)成功地經(jīng)受了疲勞與溫度、吸濕及腐蝕等環(huán)境的考驗，有些問題并不像當初預計的那樣嚴重。實踐還使人們認識到復合材料越是用于主結(jié)構(gòu)問題越少，使用性能可能更好。如復合材料薄板，特別是薄的蜂窩結(jié)構(gòu)面板常出現(xiàn)沖擊損傷容限等問題，但主結(jié)構(gòu)板厚增加，如A380中央翼盒處板厚可達45mm，損傷阻抗能力提高，損傷容限已不成問題。當板厚超過8mm損傷容限問題會急劇下降，厚板的吸濕、溫度傳導等問題均會下降，機體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的框、梁、肋用復合材料沖擊、吸濕、耐溫等敏感問題也會相應下降，因此材料許用值和結(jié)構(gòu)設(shè)計值可適當放寬。國內(nèi)20余年的飛機結(jié)構(gòu)用復合材料結(jié)果也表明復合材料確是一種使用性能優(yōu)異的新材料。

如今復合材料在四大機種上的大量應用，已形成目前世界航空領(lǐng)域再度起飛的發(fā)展新態(tài)勢，事實雄辯地證明復合材料是實現(xiàn)飛機現(xiàn)代化的必由之路，飛機結(jié)構(gòu)復合材料化也是大勢所趨。未來飛機特別是軍機為了進一步達到結(jié)構(gòu)減重與降低綜合成本，復合材料將不斷取代其他材料，用量繼續(xù)增長。美國一報告中指出：到2020年，只有復合材料才有潛力使飛機獲得20%～25%的性能提升，復合材料將成為飛機的基本材料，用量將達到65％。

2000年統(tǒng)計，鋁，鋼，鈦，復合材料各占飛機部件材料的65%,15%,5%,15%。鋁占的比重仍然是最大的，而預計將來，復合材料降占主導位置。下圖為現(xiàn)在與將來預計飛機用材料比例圖。

飛機結(jié)構(gòu)用復合材料的發(fā)展趨勢概括起來可歸納為以下幾個方向：（1）高性能化。高性能化趨勢從材料角度主要體現(xiàn)在三個方面，一是提高力學性能，二是提高耐熱性能，三是提高耐服役環(huán)境性能。

（2）多功能化。同一結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多種功能是復合材料的優(yōu)勢之一，如承力/吸波，承力/吸波/減振、降噪一體化是飛機結(jié)構(gòu)用復合材料的一個重要發(fā)展方向。要實現(xiàn)多功能化，設(shè)計是首位，材料是根本，工藝是保證。

（3）智能化。智能化對提高結(jié)構(gòu)效率和可靠性具有重要作用，是飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越重視的方向。開發(fā)飛機結(jié)構(gòu)用復合材料自感知、自診斷、自適應智能化技術(shù)，可以實現(xiàn)復合材料飛機結(jié)構(gòu)噪聲抑制、振動控制、主動變形、健康監(jiān)測。

（4）低成本化。這是一個永恒的主題。成本過高仍是制約飛機結(jié)構(gòu)大量應用復合材料的主要障礙，因此低成本化仍為復合材料發(fā)展中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。低成本化重點考慮制造技術(shù)低成本化、設(shè)計方法低成本化、全壽命低成本化。

（5）制造過程數(shù)字化。有利于減少試驗量，縮短研制周期，降低廢品率及提高生產(chǎn)效率。應發(fā)展復合材料制造過程模擬與工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)復合材料制造過程數(shù)字化與飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)字化趨向相適應。

（6）設(shè)計制造一體化。在設(shè)計階段就考慮制造與裝配中的問題，可加快產(chǎn)品研制進度, 提高質(zhì)量，有效降低成本。采用全新的設(shè)計理念和手段，將設(shè)計和制造融為一體，是復合材料發(fā)展的又一個重要趨勢。

飛機的絕大部分結(jié)構(gòu)將采用復合材料的這一預言已經(jīng)實現(xiàn)，人們期待著復合材料在飛機上更廣闊的應用前景，甚至全復合材料飛機的出現(xiàn)。隨著材料方面的新進展，比如智能復合材料的出現(xiàn)，以及復合材料設(shè)計／制造技術(shù)朝著數(shù)字化、集成化、知識化等方向的不斷發(fā)展，將會大大加速這一進程。

近年來，我國的復合材料技術(shù)得 到了迅速發(fā)展，開始朝著實現(xiàn)復合材料構(gòu)件設(shè)計、制造、檢測一體化方向發(fā)展。借鑒國外的先進技術(shù)和經(jīng)驗，對加速我國的復合材料技術(shù)的發(fā)展、擴大復合材料的應用具有重要意義。

第二篇：熱塑性復合材料在飛機上的應用

熱塑性復合材料在飛機上的應用

張磊 楊衛(wèi)平張麗

Ｔhe applications of Thermoplastic matrix Composite on aircraft

（中航工業(yè)一飛院，西安）

摘要：闡述了熱固性復合材料的缺點，分析了熱塑性復合材料的優(yōu)勢，并介紹了其在國內(nèi)、外軍用飛機和民用飛機上的應用情況，指出了國內(nèi)外的差距，最后對國內(nèi)纖維增強熱塑性復合材料的發(fā)展提出了建議。

Abstract: In this study we analyzed the disadvantage of thermosetting matrix composites, the advantage of thermoplastic matrix composites and introduced the applications of thermoplastic matrix composites on aircraft.In addition we pointed out the gap and summarized the research orientation of thermoplastic matrix composites.關(guān)鍵詞： 熱塑性、熱固性、聚醚醚酮、聚苯硫醚、抗沖擊性

Keywords: Thermoplastic、Thermosetting、PEEK、PPS、impact resistance

復合材料按樹脂類型可分為熱固性復合材料和熱塑性復合材料。目前國內(nèi)外飛機上，大量使用的復合材料為熱固性復合材料，包括機翼、機身等主要承力構(gòu)件。但是熱固性復合材料通常采用熱壓罐生產(chǎn)工藝，成型時間長，而且在材料運輸、存儲、工藝準備、實施等方面要求都比較嚴格，因此生產(chǎn)成本比較高。另外熱固性復合材料對沖擊比較敏感，設(shè)計和使用時要重點考慮沖擊對結(jié)構(gòu)性能的影響。而熱塑性復合材料在這些方面都有一定優(yōu)勢，所以近年來其逐步受到重視[1]。熱塑性復合材料的優(yōu)點

與熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料主要有以下優(yōu)點：

（1）韌性、損傷容限性能、抗沖擊，抗裂紋擴展等性能較好。由于熱塑性樹脂分子鏈的運動能力比熱固性樹脂強得多，因此熱塑性樹脂的韌性普遍要高很多，有利于改善復合材料的抗沖擊損傷能力。以碳纖維/聚醚醚酮(PEEK)樹脂復合材料為例，其壓縮后沖擊強度（CAI）值高達342 MPa，與第一代環(huán)氧復合材料170 MPa，增韌環(huán)氧復合材料250 MPa的平均水平相比，優(yōu)勢明顯；

（2）成型周期短，生產(chǎn)效率高，節(jié)約成本。熱固性復合材料主要的成型方法是預浸料/熱壓罐工藝，熱壓罐固化消耗大量的能源和時間，增加制造成本，而熱塑性復合材料的成型過程僅僅發(fā)生加熱變軟和冷卻變硬的物理變化，只需升溫、加壓成型、冷卻即可完成制備過程，可采用熱壓成型工藝，故成型周期短、生產(chǎn)效率高、成本低。另外，熱塑性復合材料在材料運輸、存儲、工藝準備、實施等比熱固性復合材料要求低，因此生產(chǎn)成本更低。兩種材料生產(chǎn)制造對比見下表1；

[2～5]

表1 熱固性和熱塑性復合材料對比

屬性

熱固性復合材料

熱塑性復合材料

材料普通運輸

1、室溫存儲，一般庫房即可；

2、材料力學性能壽命無要求；

3、工藝實施無特殊要求；

1、材料無需回暖處理；

2、預浸料或板材無需保護；

3、材料準備在一般環(huán)境；

1、預浸料CNC，板材水切割；

2、材料可以回收利用；

1、板材熱壓成型；

2、無輔助材料，制造節(jié)拍5分鐘

1、脫模及完成零件制造；

2、表面質(zhì)量完好，無需打磨；

3材料運輸 材料低溫運輸，并需要溫度監(jiān)控

1、低溫存儲，-18℃以下存儲；

材料存儲

2、材料力學性能壽命，一般12個月；

3、工藝性能壽命，一般240小時；

1、材料回暖處理；

工藝準備

2、預浸料需要襯紙保護；

3、材料準備需在凈化間內(nèi)完成；

1、預浸料剪裁自動下料機；

材料切割

2、邊角余料不可利用

1、手工或自動鋪疊；

工藝實施

2、真空加熱固化，制造節(jié)拍8小時；

1、裁真空袋、工裝清理；

后續(xù)處理

2、表面有需打磨處理

（3）實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重。熱固性復合材料的密度為1.7～2.0g/cm，而熱塑性復合材料的密3度為1.1～1.6g/cm，密度較熱固性復合材料小，因此，采用熱塑性復合材料具有一定的減重優(yōu)勢；

（4）具有重塑性，可以循環(huán)利用，提高零件的修理性，降低報廢率，廢料也可回收。熱塑性復合材料在成形過程中是一個簡單的相變過程(即熔融和凝膠)，可二次加工；

（5）良好的耐熱性能。以環(huán)氧樹脂為代表的熱固性復合材料長期使用溫度最高可達130℃，而某些熱塑性復合材料的長期使用溫度可達250℃以上，并且耐水性極優(yōu)，可在濕熱環(huán)境下長期使用。例如：PEEK樹脂的耐熱性達220℃，用30%碳纖增強后，使用溫度可提高到310℃，可用于某些特殊環(huán)境。

因此，熱塑性復合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的應用，可以縮短零件的制造周期，提高其結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，減輕結(jié)構(gòu)的重量，減少飛機的生產(chǎn)和使用成本。國內(nèi)外飛機應用情況

自20世紀60年代以來，高性能連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料就受到歐美日等發(fā)達國家的重視。但長期以來，制約熱塑性復合材料在民機上應用的主要原因有以下兩個：（1）預浸料制造困難，材料成本高；（2）制件制造成型需要高溫高壓，對設(shè)備和輔料要求高。從20世紀80 年代開始，以美國為主導的西方國家進行了一系列旨在提高熱塑性復材預浸料的制造水平、降低制件制造成本的研究計劃，并最終取得大量的研究成果，為高性能熱塑性復合材料在民機上的應用推廣奠定了基礎(chǔ)。英國帝國化學公司、德國巴斯夫公司、美國杜邦公司等開發(fā)了多類熱塑性樹脂，經(jīng)波音、空客、洛克希德、?？说戎苽涑娠w機蒙皮、整流罩、升降舵等制件并且進行了飛行試驗, 證明了熱塑性復合材料不僅強度、剛度滿足要求, 而且具

[6]有更好的韌性和損傷容限性能。目前常用的先進熱塑性樹脂主要有: 聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亞胺(PEI)等。

2.1 國外飛機應用情況

熱塑性復合材料（TPC）在飛機應用上的巨大潛質(zhì)，其在國外飛機上的應用如下：（1）機翼前緣

A340-500/600機翼前緣的J字型結(jié)構(gòu)件，它代替原來由5段鋁件組成的D型構(gòu)件，由

[7～13]

長度2.5m和3.2m兩段組成，是?？颂厥怙w機公司制造的，采用荷蘭TenCate Composite公司的Cetex玻璃纖維/聚苯硫醚（PPS）薄膜“半預浸料”經(jīng)過預先壓實成板（每塊板由5層預浸料組成），然后模壓成肋及加強件。層合板的尺寸為1.2m×3.6m。玻璃纖維與PPS之間用一種專利化合物粘結(jié)。玻璃纖維/PPS材料放入熱壓罐內(nèi)，在300℃以上高溫固結(jié)。自A340-600用于驗證航線飛行的首次試飛以來，尚未發(fā)現(xiàn)新的機翼前緣出現(xiàn)任何故障。這是熱塑性復合材料在民機上首次大規(guī)模應用。

A380的機翼前緣也采用熱塑性復合材料，如下圖1所示，采用了多肋設(shè)計理念和用TenCate 公司的玻璃纖維/聚苯硫醚（PPS）制成，相應的選材及加工方式與A340-600類似。

圖1 A380機翼固定前緣 Fig.1 Leading edge of A380

(2)舵面結(jié)構(gòu)

新型灣流G650 公務機（JEC2010 創(chuàng)新獎得主）的方向舵和升降舵就是感應焊接的多肋扭力盒結(jié)構(gòu)（見下圖2）。感應焊接是由KVE 復合材料集團的荷蘭專家開發(fā)，并由?？撕娇战Y(jié)構(gòu)件公司實現(xiàn)工業(yè)化的一項技術(shù)。這種碳/PPS(TenCate 先進復合材料公司)的多肋設(shè)計比此前的碳/環(huán)氧樹脂夾層結(jié)構(gòu)重量降低10%、成本降低20%。

圖2 灣流G650方向舵 Fig.2 rudder of G650(3)艙內(nèi)地板

空客A400M運輸機的駕駛艙地板使用了碳纖維/PPS，如下圖3所示。其尺寸3.05m?3.06m，是目前最大的碳纖維熱塑性航空結(jié)構(gòu)之一。

圖3 空客A400M駕駛艙地板

Fig.3 floor of A400M(4)機身連接零件

空客A350客機機體上應用量最大的是機身連接零件。這些零件位于機身11段到15段，連接機身復合材料壁板與內(nèi)部的復合材料框架結(jié)構(gòu)。這些零件使用碳纖維/PPS材料，外形各異，通過先進的集成化單元完成制造，每個單元都擁有執(zhí)行材料運輸?shù)臋C器人夾持系統(tǒng)、執(zhí)行材料預熱的紅外加熱器以及執(zhí)行材料固化的液壓式熱沖壓機?？湛虯350熱塑性連接角片部位見圖4所示。

圖4 空客A350熱塑性連接角片部位

Fig.4 clips of A350(5)主承力件應用

2009年歐盟啟動 “熱塑性經(jīng)濟可承受性航空主結(jié)構(gòu)”（TAPAS）項目，目的是為空客公司開發(fā)TPC平尾扭矩盒和機身結(jié)構(gòu)，進一步增加TPC在當前和未來飛機上的應用比例，如A320neo客機。項目將分為兩個階段，在2017年完成，目標是兩個構(gòu)件的材料、制造工藝、設(shè)計概念和模具設(shè)備達到技術(shù)成熟度分別達到4級和6級。項目的第一階段是采用碳纖維/PEKK材料開發(fā)主承力結(jié)構(gòu)，項目制造的TPC平尾扭矩盒和機身驗證件分別達到了技術(shù)成熟度3級和5級，已于2013年完成。TPC平尾扭矩盒基于G650的平尾中央部分重新設(shè)計，展長12m，其中，蒙皮厚度從2～8mm之間變化，采用單向預浸帶制造。由于TPC固有的韌性能更好地阻止裂紋擴展，能夠?qū)⒚善ぴO(shè)計得更薄，因此與熱固性復合材料構(gòu)件相比，該扭矩盒減重10%，如下圖5左所示。

圖5 熱塑性主承力驗證件 Fig.5 the TPC verification TPC機身驗證件長4m，雙曲面外形，其中加強筋長3m，厚度從2.48～5.50mm之間變化。DTC公司開發(fā)了該機身加強筋，及其制造工藝：數(shù)控切割TPC材料，機器人鋪放，真空預固化，自動運輸，壓力成形，整個過程僅需15min。機身壁板驗證件如圖5右所示。

項目的第二階段于2014年初開始，將繼續(xù)提升TPC扭矩盒和機身的技術(shù)成熟度。對于扭矩盒的研究，接下來將開發(fā)可獲應用認證的材料和工藝，開發(fā)一個能夠存放燃油的“濕”盒，使用將梁與蒙皮焊接起來的一種結(jié)構(gòu)。對于機身的研究，主要在于控制蒙皮厚度，特別是對于A320neo或者737max這樣的單通道客機，韌性的TPC薄蒙皮結(jié)構(gòu)固然更合適，但其厚度極限需要驗證，尤其是考慮到如冰雹撞擊或維修工具沖擊下的局部載荷作用。

2.2 國內(nèi)飛機應用情況

國內(nèi)飛機使用復合材料主要是以環(huán)氧和雙馬樹脂為基體的熱固性復合材料。對于熱固性

[15]復合材料抗沖擊能力差的問題，主要是通過改性/增韌或降低設(shè)計許用值的方法處理，直接改用熱塑性復合材料的應用較少。

在實際裝機應用方面，“八五”期間采用靜電粉末法PEEK預浸料制造了某型機平板艙門，并已在飛機上裝機考核，至今工作正常。見下圖7左。

圖6 艙門實物

[16]

[16]

Fig.6 the entity of the door

另外某型無人機后機身艙門結(jié)構(gòu)采用了熱塑性復合材料。選用的樹脂基是聚酰亞胺NGDJ-900樹脂膜，纖維為T300碳纖維無緯布和織物。筋條部分則采用短纖維增強樹脂。結(jié)構(gòu)件設(shè)計時，蒙皮采用樹脂膜與增強纖維間隔疊層，加強筋條設(shè)計采用短纖維，壁板設(shè)計為一個帶縱橫方向加強筋條的整體，通過高溫高壓模壓融滲成形技術(shù)，一次成形，不用進熱壓罐，不用幾次膠結(jié)，減少制造工序，易于操作，也不需要真空袋等輔料，制造成本低。并且，整體成型可簡化結(jié)構(gòu)，使從前需要多個零件通過螺栓等緊固件連接在一起的部件簡化為一個整體的零件，減少了原來各零件之間需要的連接件，降低裝配成本。零件實物見圖7右所示。與國外的差距

熱塑性復合材料的工程應用大致經(jīng)歷了三個階段：第一階段，熱塑性復合材料應用于飛機內(nèi)飾、艙門、口蓋、整流罩等非承力部件；第二階段，用于飛機固定面前后緣、襟翼、副翼、方向舵等操縱面等受載較小部位；第三階段，用于飛機機翼、尾翼、機身等主盒段結(jié)構(gòu)。

目前，國外熱塑性復合材料應用已經(jīng)到達第三階段。歐盟已啟動了“熱塑性經(jīng)濟可承受性航空主結(jié)構(gòu)”（TAPAS）第二階段項目，目標是進一步提高主結(jié)構(gòu)材料、制造工藝、設(shè)計概念和模具設(shè)備的技術(shù)成熟度。國內(nèi)民機方面，尚無熱塑性復合材料結(jié)構(gòu)研制、裝機應用，僅在軍機方面有少量應用，還局限于少量非承力部件上，處于熱塑性復合材料工程應用的第一階段，因此差距比較大。

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析方面的差距

熱塑性復合材料特有的材料特性和特有的工藝性也決定其結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及強度分析方法與熱固性復合材料有很大的不同，因國內(nèi)工程應用少，所以對其材料特性、結(jié)構(gòu)形式、受載特點等未充分研究，沒有形成相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計準則和強度分析方法。

（2）制造與工藝方面的差距 熱塑性復合材料加工工藝可分為：熱塑性基體浸漬工藝和制件成型工藝。由于熱塑性樹脂熔融溫度高、化學性質(zhì)穩(wěn)定，預浸、成型等每一個階段對設(shè)備和工藝都有特殊的要求，其復合材料預浸料制備和成型加工的難度均比熱固性復合材料大。目前我國在熱塑性復合材料工藝方面的研究較少，差距較大。

（3）原材料生產(chǎn)供應的差距

國家曾投資興建5000t/年產(chǎn)能的生產(chǎn)線，并開發(fā)PPS樹脂膜、PPS長絲等產(chǎn)品。北京航空材料研究院曾采用該樹脂進行過復合材料成型工藝的初步研究。但是近年來該生產(chǎn)線的無法穩(wěn)定提供樹脂基體。吉林大學曾長期開展國產(chǎn)PEEK樹脂的研制工作，并于“八五”、“九五”、“十五”期間與北京航空材料研究院合作開展過CF/PEEK復合材料的研究。但吉大曾將其PEEK樹脂的生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)讓，其生產(chǎn)狀態(tài)及知識產(chǎn)權(quán)歸屬有待明確。結(jié)束語

熱固性復合材料在國內(nèi)、外飛機上應用最為廣泛，但斷裂韌性及抗沖擊能力差、難以回收利用、成型加工周期長等問題也長期存在，而熱塑性復合材料的出現(xiàn)成為克服以上缺點的一種研究方向。而且熱塑性復合材料可回收利用，減少對環(huán)境的污染。雖然近期熱塑性復合材料不可能大量代替熱固性復合材料，但其優(yōu)異的性能已逐步引起重視，應用也日益廣泛, 應用范圍也將從次承力構(gòu)件轉(zhuǎn)向主承力構(gòu)件。

目前熱塑性復合材料在國內(nèi)飛機上的應用還十分有限，設(shè)計、工藝、原材料等技術(shù)儲備嚴重不足，因此國內(nèi)熱塑性復合材料的應用需要加強相關(guān)的技術(shù)研究:(1)PPS、PEEK等常用高性能熱塑性樹脂與纖維的匹配研究；(2)加強其成型工藝研究；(3)提出適合其特性的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析方法；(4)推廣應用。

參考文獻

[1] 張曉明等.纖維增強熱塑性復合材料及其應用.北京:化學工業(yè)出版社.2007.[2] 尹翔宇，朱 波，劉洪正，等碳纖維增強熱塑性復合材料的研究現(xiàn)狀.高科技纖維與應用.2011,36（6）：42～44.[3] 肖德凱, 張曉云, 孫安垣.熱塑性復合材料研究進展.山東化工.2007,36（2）：15～21.[4] 于志成.熱塑性復合材料力學性能特點評述.材料工程.1997.6.[5] 楊福生, 趙延斌, 吳靖.國外熱塑性復合材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.吉林化工學院學報.2001,18（3）：74～77.[6] 婁葵陽，張鳳翻.航空工業(yè)用熱塑性復合材料研究進展.材料工程.1996,6：15～16.[7] 張鳳翻.熱塑性樹脂和其復合材料的應用.復材在線.2006.11.[8] 炭纖維增強熱塑性樹脂復合材料.中國鋼企網(wǎng).2010.2.[9] 李蓮青.熱塑性復合材料和熱固性復合材料的比較以及在航空工業(yè)中的應用.昌河科技.1992.3.[10] Arnt Offringa.新型熱塑性復合材料設(shè)計理念及其自動化制造.?？撕娇战Y(jié)構(gòu)件公司.2011.1.[11] 王興剛，于洋，李樹茂，等.先進熱塑性復合材料在航天航空上的應用.纖維復合材料，2011,2：44～47.[12] 陳亞莉.高性能熱塑性復合材料在飛機上的應用.航空維修與工程.2003,3：28～30.[13] 張婷.高性能熱塑性復合材料在大型客機結(jié)構(gòu)件上的應用.航空制造技術(shù).2013.9（15）：32-35.[14]Winand Kok, Raoul Starmans.Cetex Thermoplastic Composites.TenCate公司.2015.6：22-37.[15]益小蘇, 唐邦銘, 王美炫，等.熱固/ 熱塑復相增韌體系及其先進復合材料的研究.高分子材料科學與工程.2002.18（2）：37～41.[16]肖娟，彭興國，高彬.低成本耐高溫整體成形熱塑性復合材料構(gòu)件的應用研究.2011中國無人機系統(tǒng)峰會論文集：772-778.作者簡介：

張磊（1979-）男，碩士,高級工程師。主要研究方向：飛機復合材料強度。座機：029-86832903；手機：*** 郵箱：25179057@qq.com

第三篇：第二章 復合材料在飛機上的應用綜述

課 題

圖1 復合材料制作的零部件

圖2 民用大型飛機復合材料分布圖

1.復合材料的應用特點

隨著航空航天科學技術(shù)的不斷進步,促進了新材料的飛速發(fā)展,其中尤以先進復合材料的發(fā)展最為突出。目前主要指有較高強度和模量的硼纖維、碳纖維、芳綸等增強的復合材料,耐高溫的纖維增強陶瓷基復合材料,隱身復合材料,梯度功能復合材料等。飛機和衛(wèi)星制造材料要求質(zhì)量輕、強度高、耐高溫、耐腐蝕,這些苛刻的條件,只有借助新材料技術(shù)才能解決。

復合材料具有質(zhì)量輕,較高的比強度、比模量,較好的延展性,抗腐蝕、導熱、隔熱、隔音、減振、耐高(低)溫,獨特的耐燒蝕性、透電磁波,吸波隱蔽性、材料性能的可設(shè)計性、制備的靈活性和易加工性等特點,是制造飛機、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。2.飛機機身上的應用 2.1.飛機機身結(jié)構(gòu)上的應用

先進復合材料用于加工主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)、其剛度和強度性能相當于或超過鋁合金的復合材料。目前被大量地應用在飛機機身結(jié)構(gòu)制造上和小型無人機整體結(jié)構(gòu)制造上。

飛機用復合材料經(jīng)過近40年的發(fā)展,已經(jīng)從最初的非承力構(gòu)件發(fā)展到應用于次承力和主承力構(gòu)件,可獲得減輕質(zhì)量(20~30)%的顯著效果。目前已進入成熟應用期,對提高飛機戰(zhàn)術(shù)技術(shù)水平的貢獻、可靠性、耐久性和維護性已無可置疑,其設(shè)計、制造和使用經(jīng)驗已日趨豐富。迄今為止,戰(zhàn)斗機使用的復合材料占所用材料總量的30%左右,新一代戰(zhàn)斗機將達到40%;直升機和小型飛機復合材料用量將達到(70~80)%左右,甚至出現(xiàn)全復合材料飛機。

“科曼奇”直升機的機身有70%是由復合材料制成的,但仍計劃通過減輕機身前下部質(zhì)量,以及將復合材料擴大到配件和軸承中,以使飛機再減輕15%的質(zhì)量。“阿帕奇”為了減輕質(zhì)量,將采用復合材料代替金屬機身。使用復合材料,未來的聯(lián)合運輸旋轉(zhuǎn)翼(JTR)飛機的成本將減少6%,航程增加55%,或者載荷增加36%。以典型的

2.2.飛機隱身上的應用

近幾十年來,隱身復合材料的研究取得了長足進展,正朝著“薄、輕、寬(頻譜)、強(耐沖擊、耐高溫)”方向發(fā)展。美國最先將隱身材料用在飛機上,用隱身材料最多的是F-117和F-22飛機。F-117的隱身涂層十分復雜,有7種材料之多。

例如,它的機身、機翼、副翼及尾翼等采用了瓦片狀吸波材料,為了加固這種瓦片狀材料在底層采用了Filcoat材料,它是碳纖維增強的環(huán)氧預浸帶,用自動鋪帶法疊在吸波涂層下面。2000年,美空軍對F-117的隱身材料進行更新,將原來的7種隱身材料涂層更換為1種,全部F-117將具有通用的維修程序和雷達波吸收材料,技術(shù)規(guī)程的數(shù)量減少大約50%。

改進后F-117的每飛行小時維修時間縮短一半以上,全部52架F-117的年維護費用從1450萬美元降至690萬美元。F-22不采用全機涂覆吸波涂層的方法,但在機身內(nèi)外的金屬件上全部采用了鐵氧體吸波涂層,它是一種有韌性的耐磨涂料,較之F-117的涂料易于噴涂且耐磨。專家預測到本世紀30代,導電高分子電致變色材料、摻雜氧化物半導體材料、納米復合材料和智能隱身等復合材料將實際用于飛機,它將使飛機的航電系統(tǒng)及控制方式發(fā)生根本性的變化。3.航空發(fā)動機上的應用 3.1.渦輪發(fā)動機上的應用

由于具有密度小、比強度高和耐高溫等固有特性,復合材料在航空渦輪發(fā)動機上應用的范圍越來越廣且比例越來越大,使航空渦輪發(fā)動機向“非金屬發(fā)動機”或“全復合材料發(fā)動機”方向發(fā)展。(1)樹脂基復合材料

憑借比強度高,比模量高,耐疲勞與耐腐蝕性好,阻噪能力強的優(yōu)點,樹脂基復合材料在航空發(fā)動機冷端部件(風扇機匣、壓氣機葉片、進氣機匣等)和發(fā)動機短艙、反推力裝置等部件上得到廣泛應用。如JTAGG驗證機的進氣機匣采用碳纖維增強的PMR15樹脂基復合材料,比采用鋁合金質(zhì)量減輕26%;F136發(fā)動機采用與F110-132發(fā)動機相似的復合材料風扇機匣,使質(zhì)量減輕9kg。(2)碳化硅纖維增強的鈦基復合材料

憑借密度小(有的僅為鎳基合金的1/2),比剛度和比強度高,耐溫性好等優(yōu)點,碳化硅纖維增強的鈦基復合材料在壓氣機葉片、整體葉環(huán)、盤、軸、機匣、傳動桿等部件上已經(jīng)得到了廣泛應用。(3)陶瓷基復合材料

目前主要的陶瓷基復合材料產(chǎn)品是以SiC或C纖維增強的SiC和SiN基復合材料。憑借密度較小(僅為高溫合金的1/3~1/4),力學性能較高,耐磨性及耐腐蝕性好等優(yōu)點,陶瓷基復合材料,尤其是纖維增強陶瓷基復合材料,已經(jīng)開始應用于發(fā)動機高溫靜止部件(如噴嘴、火焰穩(wěn)定器),并正在嘗試應用于燃燒室火焰筒、渦輪轉(zhuǎn)子葉片、渦輪導流葉片等部件上。3.2.火箭發(fā)動機上的應用

由于火箭發(fā)動機噴管壁受到高速氣流的沖刷,工作條件十分惡劣,因此C/C最早用作其噴管喉襯,并由二維、三向發(fā)展到四向及更多向編織。

同時火箭發(fā)動機設(shè)計者多年來一直企圖將具有高抗熱震的Ct /SiC用于發(fā)動機噴 管的擴散段,但Ct的體積分數(shù)高,易氧化而限制了其廣泛應用,隨著CVD、CVI技術(shù)的發(fā)展,新的抗氧化Ct /SiC及C-C/SiC必將找到其用武之地。

Melchior等認為C纖維CMC、陶瓷纖維CMC以及C/C復合材料,特別是以SiC為纖維或基體的CMC抗氧化,耐熱循環(huán)和燒蝕,是液體火箭發(fā)動機燃燒室和噴管的理想材料,并進行了總數(shù)為31個的長達20 000 s的燃燒室和噴管點火試驗,內(nèi)壁溫度高達1732℃,一個600 kg發(fā)動機成功地點火七次,溫度為1449℃。

目前為解決固體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)承載問題,美國和法國正在進行陶瓷纖維混合碳纖維而編織的多向(6向)基質(zhì)、以熱穩(wěn)定氧化物為基體填充的陶瓷復合材料。SiC陶瓷制成的喉襯、內(nèi)襯已進行多次點火試驗。今天作為火箭錐體候選材料的有A12O3、ZrO2、ThO2等陶瓷,而作為火箭尾噴管和燃燒室則采用高溫結(jié)構(gòu)材料有SiC、石墨、高溫陶瓷涂層等。4.衛(wèi)星和宇航器上的應用

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的輕型化對衛(wèi)星功能及運載火箭的要求至關(guān)重要,所以對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求很嚴。國際通訊衛(wèi)星VA中心推力筒用碳纖維復合材料取代鋁后減質(zhì)量23 kg(約占30%),可使有效載荷艙增加450條電話線路,僅此一項盈利就接近衛(wèi)星的發(fā)射費用。美、歐衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量不到總質(zhì)量的10%,其原因就是廣泛使用了復合材料。

目前衛(wèi)星的微波通訊系統(tǒng)、能源系統(tǒng)(太陽能電池基板、框架)各種支撐結(jié)構(gòu)件等已基本上做到復合材料化。我國在“風云二號氣象衛(wèi)星”及“神舟”系列飛船上均采用了碳/環(huán)氧復合材料做主承力構(gòu)件,大大減輕了整星的質(zhì)量,降低了發(fā)射成本。5.復合材料在飛機上的應用方向

目前，復合材料在飛機上的應用已非常廣泛，但在20世紀90年代初復合材料市場曾一度陷入低靡，究其原因是由于復合材料設(shè)計制造的復雜性造成了成本壁壘，人們開始認識到只有重視性能和成本的平衡，才能使復合材料展現(xiàn)輝煌。隨著復合材料先進技術(shù)的成熟，使其性能最優(yōu)和低成本成為可能，大大推動了復合材料在飛機上的廣泛應用。本文在介紹國外復合材料在飛機上廣泛應用的基礎(chǔ)上，對作為技術(shù)保障的數(shù)字化設(shè)計技術(shù)和先進制造技術(shù)進行了分析研究。

從國外情況看，各種先進的飛機都與復合材料的應用密不可分，復合材料在飛機上的用量和應用部位已成為衡量飛機結(jié)構(gòu)先進性的重要指標之一。下面介紹復合材料在飛機上應用的發(fā)展趨勢。

5.1.復合材料在飛機上的用量日益增多

復合材料用量通常用其所占飛機機體結(jié)構(gòu)重量的百分比表示，縱觀復合材料在民機上的發(fā)展情況發(fā)現(xiàn)，無論是波音公司還是空中客車公司，隨著時間推移，復合材料的用量都呈增長趨勢。最具代表意義的是空客公司的A380 客機和波音公司最新推出的787客機。

在A380上僅碳纖維復合材料的用量就達32t左右，占結(jié)構(gòu)總重的15%，再加上其他種類的復合材料，估計其總用量可達25%左右。787上初步估計復合材料用量可達50%，遠遠超過了A380。另外，復合材料在軍機和直升機上的用量也有同樣的增長趨勢。

5.2.應用部位由次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)過渡

飛機上最初采用復合材料的部位有艙門、整流罩、安定面等次承力結(jié)構(gòu)，目前已廣泛應用于機翼、機身等部位，向主承力結(jié)構(gòu)過渡。從1982年開始用復合材料制造飛行操縱面（如A310-200飛機的升降舵和方向舵），空客公司在主承力結(jié)構(gòu)上使用復合材料已有20多年的經(jīng)驗。

在A380上采用的碳纖維復合材料大型構(gòu)件主要有中央翼盒、翼肋、機身上蒙皮壁板、機身后段、機身尾段、地板梁、后承壓框、垂尾等，大量的主承力結(jié)構(gòu)都采用了復合材料。787復合材料的應用則更讓世人矚目，其機身和機翼部位采用碳纖維增強層合板結(jié)構(gòu)代替鋁合金;發(fā)動機短艙、水平尾翼和垂直尾翼、舵面、翼尖等部位采用碳纖維增強夾芯板結(jié)構(gòu);機身與機翼銜接處的整流蒙皮采用玻璃纖維增強復合材料。與A380 相比其用量更大，主承載部位的應用更加廣泛，這將是世界上采用復合材料最多的大型商用噴氣客機。

5.3.復合材料在復雜曲面構(gòu)件上的應用越來越多

飛機上復雜曲面零件很多，復合材料的應用也越來越多，比如A380機身19段、19.1段和球面后壓力隔框等均為采用復合材料的具有復雜曲面的大尺寸受力組件，分別采用纖維鋪放技術(shù)和樹脂膜滲透（RFI）工藝制造。在大型復雜曲面構(gòu)件上應用復合材料最典型的例子，當屬洛克希德·馬丁公司在JSF項目中的復合材料進氣道。采用纖維鋪放技術(shù)制造的JSF 進氣道，通道截面沿S形軸線由矩形向圓形過渡，同時直徑逐漸變小，形狀非常復雜。該進氣道由4部分碳－環(huán)氧復合材料結(jié)構(gòu)組成，采用夾芯結(jié)構(gòu)增強剛度，實現(xiàn)減重并降低了成本。

在復雜曲面輪廓上應用復合材料存在潛在的制造變形問題，與鋪層邊界吻合的復雜曲面的鋪層展開形狀難以確定，更嚴重的是鋪層甚至無法展開，在設(shè)計制造方面具有很大的難度，該類零件的設(shè)計具有挑戰(zhàn)性。

5.4.構(gòu)件向整體成型、共固化方向發(fā)展

飛機上大量采用復合材料的一個主要目的就是減重，而復合材料構(gòu)件的共固化、整體成型能夠成型大型整體部件，可以明顯減少零件、緊固件和模具的數(shù)量。減少裝配是復合材料結(jié)構(gòu)減重的重要措施，也是降低成本的有效方法。

構(gòu)件整體成型最有代表性的例子是PremieⅠ商務機采用纖維鋪放技術(shù)制造的整體成型機身結(jié)構(gòu)。該機身厚度為20.6mm，采用碳纖維增強復合材料作為面板的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，消除了傳統(tǒng)鋁制機身中需要的桁條和框架，由此比相同尺寸的飛機增加了33% 的客艙空間，并帶來了25%的減重。

PremieⅠ商務機的機身只有兩個整體成型的部件構(gòu)成，整個機身質(zhì)量小于273kg，而同樣大小的鋁合金機身結(jié)構(gòu)將包括加強筋、框架、艙壁、外蒙皮等，零部件數(shù)目超過3000個，質(zhì)量至少為454kg。零部件數(shù)目的減少在很大程度上縮短了生產(chǎn)周期，減少了在制造和裝配部件過程中的工時，從而大幅度降低成本。

然而，當越來越多的功能被集成到單一部件中時，復雜程度大大增加，使設(shè)計和制造具有更大難度，需要設(shè)計的創(chuàng)新以及制造集成零件的先進技術(shù)來保證。6.技術(shù)保障

由于復合材料設(shè)計制造的獨特性，設(shè)計、材料、工藝要求一體化以及在主承力結(jié)構(gòu)、復雜曲面輪廓上應用復合材料和構(gòu)件整體成型所帶來的問題，使復合材料構(gòu)件的成本、性能都受到影響。

大量復合材料的應用具有很大的挑戰(zhàn)性，必須以先進的復合技術(shù)作為技術(shù)保障，主要包括復合材料數(shù)字化設(shè)計、先進制造技術(shù)以及設(shè)計、制造一體化等。6.1.復合材料數(shù)字化設(shè)計

在復合材料數(shù)字化設(shè)計、制造環(huán)境下進行復合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋪層設(shè)計、鋪層展開以及制造數(shù)據(jù)準備等工作，復合材料專用設(shè)計/制造軟件是不可缺少的工具。目前世界領(lǐng)先的復合材料專用設(shè)計/制造軟件有CATIA CPD(CATIA-CompositeDesign)模塊和VISTAGY 公司開發(fā)的FiberSIM 軟件。前者與CATIA系統(tǒng)全面集成，后者亦能完全集成到CATIA、Pro/E 以及UG 等CAD 軟件中。復合材料設(shè)計/制造軟件與已有CAD 系統(tǒng)的集成提供了高效的復合材料數(shù)字化設(shè)計/ 制造工具。

復合材料數(shù)字化設(shè)計不僅包括構(gòu)件的幾何建模，更為關(guān)鍵的是體現(xiàn)制造信息的鋪層設(shè)計。復合材料數(shù)字化設(shè)計分為初步設(shè)計、詳細設(shè)計和制造準備3個階段。

在初步設(shè)計階段，先采用三維CAD 軟件構(gòu)建三維數(shù)字樣機，定義構(gòu)件的形狀以及定位特征，以便在其工裝設(shè)計以及數(shù)字化裝配中應用。在幾何建模的基礎(chǔ)上，定位構(gòu)件的結(jié)構(gòu)區(qū)域，完成層合板的定義。

初步設(shè)計之后，進入詳細設(shè)計階段。依據(jù)分析軟件的區(qū)域劃分以及各區(qū)域的詳細鋪層定義數(shù)據(jù)，設(shè)計者定義構(gòu)件的鋪層集以及鋪層集中的每一個鋪層，包括幾何輪廓、鋪設(shè)角度、輔設(shè)順序、材料類型、參考坐標系、相鄰鋪層集之間的鋪層遞減信息以及鋪層集中鋪層數(shù)目的定義等。完成鋪層定義后，利用鋪層分析工具對定義好的鋪層進行分析，如指定位置的夾芯檢查、剖切面檢查以及重量和面積計算等，檢驗實際鋪層與預期鋪層定義的差別，并指導鋪層的修改。

復合材料的制造準備階段完成材料余量定義、三維實體生成、鋪層展開以及技術(shù)文檔的自動生成等。一旦設(shè)計者對鋪層幾何感到滿意，一方面生成構(gòu)件的三維實體以便在數(shù)字化預裝配、工裝設(shè)計等過程中應用；另一方面將構(gòu)件的三維實體模型逐層展開，生成鋪層展開數(shù)據(jù)，為制造應用做數(shù)據(jù)準備。設(shè)計信息在模型內(nèi)定義后，使用復合材料設(shè)計/制造軟件基于三維CAD 模型可以自動生成工程圖紙、材料表、工藝流程卡、鋪層頁、箭標、鋪層表等，是指導復合材料構(gòu)件生產(chǎn)和裝配的依據(jù)。一旦設(shè)計模型有所改動，文檔自動更新以適應變化，極大縮短了設(shè)計時間。6.2.復合材料設(shè)計、制造一體化

除上述的數(shù)字化設(shè)計功能之外，復合材料專用設(shè)計/制造軟件還提供數(shù)據(jù)接口以聯(lián)系設(shè)計和制造環(huán)節(jié)，使制造與設(shè)計定義直接結(jié)合，實現(xiàn)設(shè)計、制造的一體化。三維模型建好以后，一邊用于工裝的設(shè)計制造，一邊輸入復合材料專用設(shè)計/制造軟件完成基于三維模型的鋪層展開。

鋪層展開數(shù)據(jù)進一步提取通過數(shù)據(jù)接口生成下料機專用的排樣下料文件、直接支持Virtek和General Scanning激光投影系統(tǒng)的激光投影編碼（或提供中介APT 格式文件）以及用于纖維鋪放的鋪層文件等，通過數(shù)據(jù)接口將上述文件信息分別輸入到排樣系統(tǒng)、自動剪裁機、激光鋪層定位系統(tǒng)和纖維鋪放機等制造設(shè)備，自動進行優(yōu)化排樣、下料、各鋪層精確定位以及纖維鋪放等。

復合材料設(shè)計、制造一體化實現(xiàn)了零件三維模型到制造的無縫集成，極大地減少了不準確的鋪層尺寸和鋪設(shè)方向，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，同時自動切割和優(yōu)化排樣減少了材料浪費，激光鋪層定位消除了手工切割樣板和手工鋪層樣本，降低了成本。6.3.復合材料先進制造技術(shù)

傳統(tǒng)的復合材料制造技術(shù)自動化程度低，致使復合材料構(gòu)件存在質(zhì)量分散性大，生產(chǎn)成本居高不下等問題。近年來出現(xiàn)的各種各樣的自動化程度較高的復合材料先進制造技術(shù)，比如纖維鋪放、樹脂膜轉(zhuǎn)移成型/樹脂膜滲透成型及電子束固化等，對提高生產(chǎn)效率、提高構(gòu)件質(zhì)量、降低成本起到了關(guān)鍵作用。

纖維鋪放技術(shù)是自動鋪絲束技術(shù)和自動窄帶鋪放技術(shù)的統(tǒng)稱，是在已有纏繞和自動鋪放基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全自動制造技術(shù)，適用于機身等大型、復雜型面結(jié)構(gòu)的制造。纖維鋪放技術(shù)是近年來發(fā)展最快、最有效的復合材料自動化制造技術(shù)之一，應用也非常廣泛。預成型體復合材料液體成型工藝技術(shù)（LCM）是先進樹脂基復合材料低成本制造技術(shù)的一個重要方面，目前已獲得相當成功的有RTM 和RFI 工藝，為制造集成零件的最先進技術(shù)之一。在零件固化方面，傳統(tǒng)的熱壓罐固化初期投資大，要求高溫高壓，大型制品還受到成型設(shè)備大小的限制，采用電子束固化的目的是顯著降低大型、復雜、整體結(jié)構(gòu)復合材料構(gòu)件的固化成本。另外，電子束固化與纖維鋪放技術(shù)相結(jié)合，能夠成型大型整體部件，對構(gòu)件的整體成型、共固化有重要意義。

先進的復合材料技術(shù)為飛機制造企業(yè)帶來了巨大的效益，對提高飛機的性能起著極重要的作用。例如，JSF飛機在復合材料進氣道的研制中由于采用了數(shù)字化設(shè)計和纖維鋪放等先進技術(shù)，最終將其設(shè)計時間由300h減少到150h，制造時間由450h減少到200h；西科斯基公司在S-92直升機坐艙罩的研制中通過采用先進技術(shù)，降低開發(fā)時間27%，減少更改超過90%；在整體成型Premie Ⅰ機身的過程中采用了纖維鋪放技術(shù)，與手工鋪層相比，使結(jié)構(gòu)重量減少了20%，材料浪費減少了60%。

7.作業(yè)

7.1.簡要陳述復合材料在飛機機身上的應用實例 7.2.簡要陳述復合材料在飛機上的應用方向 7.3.簡要陳述復合材料制造的主要技術(shù)保障條件 8.主要才考文獻

《復合材料在飛機上的應用評述》 《復合材料在航空航天中的應用》

第四篇：先進復合材料在大飛機上的應用

先進復合材料在大飛機上的應用

隨著新材料的研究發(fā)展，對于很重視輕量化的航空航天來說，也是不斷更新著使用的材料，不僅僅是鈦合金、鎂合金等的合金材料大量使用，更是有諸如先進復合材料的應用。一代材料的發(fā)展，帶動著航天航空的技術(shù)革新。

先進復合材料（Advanced Composites ACM）專指可用于加工主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)、其剛度和強度性能相當于或超過鋁合金的復合材料。目前主要指有較高強度和模量的硼纖維、碳纖維、芳綸等增強的復合材料。

隨著復合材料的廣泛應用和人們在原材料、復合工藝、界面理論、復合效應等方面實踐和理論研究的深入，使人們對復合材料有了更全面的認識。現(xiàn)在人們可以更能動地選擇不同的增強材料（顆粒、片狀物、纖維及其織物等）與基體進行合理的性能，從而制造出高于原先單一材料的性能或開發(fā)出單一材料所不具備的性質(zhì)和使用性能。

先進復合材料有著其獨特的優(yōu)異性能。ACM具有質(zhì)量輕，較高的比強度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、導熱、隔熱、隔音、減振、耐高（低）溫，獨特的耐燒蝕性、透電磁波，吸波隱蔽性、材料性能的可設(shè)計性、制備的靈活性和易加工性等特點。所以，先進復合材料在航空領(lǐng)域的應用日益廣泛。

飛機用ACM經(jīng)過40多年的發(fā)展，已經(jīng)從最初的非承力構(gòu)件發(fā)展到應用于次承力和主承力構(gòu)件，可獲得減輕質(zhì)量20%-30%的顯著效果。目前已進入成熟應用期，對提高飛機戰(zhàn)術(shù)技術(shù)水平的貢獻、可靠性、耐久性和維護性已無可置疑，其設(shè)計、制造和使用經(jīng)驗已日趨豐富。

在A380上采用的碳纖維復合材料大型構(gòu)件主要有中央翼盒、翼肋、機身上蒙皮壁板、機身后段、機身尾段、地板梁、后承壓框、垂尾等，大量的主承力結(jié)構(gòu)都采用了復合材料。787復合材料的應用則更讓世人矚目，其機身和機翼部位采用碳纖維增強層合板結(jié)構(gòu)代替鋁合金;發(fā)動機短艙、水平尾翼和垂直尾翼、舵面、翼尖等部位采用碳纖維增強夾芯板結(jié)構(gòu)，機身與機翼銜接處的整流蒙皮采用玻璃纖維增強復合材料。

其次，在飛機發(fā)動機上，復合材料也是有所應用。美國通用電器飛機發(fā)動機事業(yè)集團公司（GE-AEBG）和惠普公司，以及其他一些公司，都在用ACM取代金屬制造飛機發(fā)動機零部件，包括發(fā)動機艙系統(tǒng)的許多部位推力反向器、風扇罩、風扇出風道導流片等都用 ACM 制造。如發(fā)動機進口氣罩的外殼是由美國聚合物公司的碳纖維環(huán)氧樹脂預混料（E707A）疊鋪而成，它具有耐177 ℃高溫的熱氧化穩(wěn)定性，殼表面光滑似鏡面，有利于形成層流。又如 FW4000 型發(fā)動機有80 個149℃ 的高溫空氣噴口導流片，也是碳纖維環(huán)氧預浸料制造的。在316 ℃ 這一極限溫度下的環(huán)境中，ACM不僅性能優(yōu)于金屬，而且經(jīng)濟效益高。據(jù)波音公司估算，噴氣客機質(zhì)量每減輕1 kg，飛機在整個使用期限內(nèi)即可節(jié)省2200美元。

在飛機的一些功能需求上，先進復合材料也是發(fā)揮著巨大作用。機用雷達罩是一種罩在雷達天線外的殼形結(jié)構(gòu)，其使用性能要求透微波性能良好，能承受空氣動力載荷作用且保持規(guī)定的氣動外形，便于拆裝維護，能在嚴酷的飛行條件下正常工作，可抵抗惡劣環(huán)境引起的侵蝕。ACM具有優(yōu)良的透雷達波性能、足夠的力學性能和簡便的成型工藝，使它成為理想的雷達罩材料。目前制作雷達罩材料較多采用的是環(huán)氧樹脂和E玻璃纖維。

A380客機對于復合材料的使用也是達到了極致。空中客車繼A340對碳纖維龍骨梁和復合材料后密封框——復合材料用于飛機的密封禁區(qū)發(fā)起挑戰(zhàn)后，A380 又一次對連接機翼與機身主體結(jié)構(gòu)中央翼盒新的禁區(qū)發(fā)起了成功挑戰(zhàn)。僅此一項就比最先進的鋁合金材料減輕質(zhì)量1.5t。由于碳纖維復合材料的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損，從而大大減少了油耗和排放，燃油的經(jīng)濟性比其直接競爭機型要低13％ 左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率最高飛機的低15％～20％，成為第一個每乘客每百公里耗油少于3 L的遠程客機。

為了能更好的在飛機上應用，ACM也還有需要不斷發(fā)展。ACM未來發(fā)展方向：

1、提高耐熱性以發(fā)動機為例，一般來說，材料耐高溫性能越好，用它做出來的發(fā)動機水平就越高。據(jù)理論計算和試驗發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機的工作溫度每提高100℃，它的推力就可提高15%左右?？梢娞岣甙l(fā)動機材料耐高溫性能的重要性，而ACM的高溫性能主要由樹脂基體決定，因此耐高溫樹脂基體的研究是今后ACM 應用發(fā)展的一個重要內(nèi)容。

2、低成本ACM制造技術(shù)對航天航空用高性能ACM，過去重視性能，較少考慮成本。包括以下幾個主要方面：降低原材料成本，尤其是高性能碳纖維成本，世界呼聲很高；開發(fā)低溫固化、高溫使用的樹脂和預浸料，節(jié)約能源；開發(fā)長壽命的預浸料；使用混雜纖維ACM；通過工藝創(chuàng)新如電子束固化工藝等降低制造成本。

3、提高抗沖擊韌性提高航空用結(jié)構(gòu) ACM 的抗沖擊韌性一直是一個重要的研究課題。ACM的抗沖擊性能主要依賴于樹脂的交聯(lián)密度。可通過改變樹脂和固化劑結(jié)構(gòu)，增加柔性鏈段，或利用高韌性、耐高溫的橡膠或熱塑性樹脂增韌，提高抗沖擊性能。這樣既不犧牲預浸料的工藝性和ACM的耐熱性，又賦予材料類似于熱塑性樹脂的抗沖擊性能。

總之，未來在飛機上，ACM的使用會越來越廣泛，進入航天材料的新時代。繼鋼鐵、鋁、鈦后成為航空航天的寵兒，ACM未來還有很長的路要走，相信以其優(yōu)異的性能，它必然會大放光彩。

參考資料：

1、何東曉.先進復合材料在航空航天的應用綜述[J].高科技纖維與應用, 2006,(02)

2、杜善義.先進復合材料與航空航天[J].復合材料學報, 2007,(01)

3、張麗華,范玉青.復合材料在飛機上的應用評述[J].航空制造技術(shù), 2006,(03)

4、陳紹杰.先進復合材料在飛機上的應用及發(fā)展[J].航空科學技術(shù), 1998,(04)

5、陳紹杰.復合材料與大型飛機[J].新材料產(chǎn)業(yè), 2008,(01)

6、沈軍,謝懷勤.航空用復合材料的研究與應用進展[J].玻璃鋼/復合材料, 2006,(05)

7、陳紹杰.復合材料與A380客機[J].航空制造技術(shù), 2002,(09)

第五篇：出國英語：在飛機上英語怎么說[模版]

出國英語：在飛機上英語怎么說

在飛機上英語怎么說

in the aircraft

在飛機上地道常用表達：

on the plane 坐飛機

in the plane 在飛機內(nèi)

乘坐飛機常用英語表達：

Where do I board my plane?

我在哪兒登機？

How long is this flight?

這趟飛機有多長時間？

What time will the plane land?

飛機什么時間降落？

Could you change my seat, please?

是否可替我更換座位？

Will this flight get there on time?

這班班機會準時到達嗎？

Excuse me.what's the time diffrence betweon Tokyo and London? 打擾一下，東京和倫敦的時差是多少？

May I have a pillow and a blanket, please?

請給我一個枕頭和毛毯。

I feel a little sick, Can I have some medicine?

我覺得有些不舒服，是否可給我一些藥？

原文來自 必克英語