复合材料在飞机结构中的使用总结

1、复合材料在飞机结构中的应用 宋锋涛 复合材料具有比强度和比刚度高、性能可设计和易于整体成形等诸多优点，其用于飞 机结构上，可比金属结构明显减重，并可改善飞机气动弹性特性，提高飞行性能。 大概从20世纪40年代，玻璃/ 环氧树脂复合材料开始应用于操纵面、 整流罩和雷达罩等 航空部件。 60年代复合材料最初的应用是 Boron/epoxy（ 硼/ 环氧基树脂 ） 的F-14 的水平安定 面蒙皮和 F-15水平与垂直安定面蒙皮。 第一个Carbon/Epoxy（ 碳/环氧基树脂 ）在军机上的应 用是F-15的减速板。 70年代研制的 F/A-18A/B ，采用了Carbon/3501-5 复合材料机

2、翼、控制 面、垂尾和机身蒙皮，占结构重量的 12%。70年代后期研制了 AV-8B（英国鹞式战斗机垂直起 降） ，当时使用复合材料的动力是追求性能和减重，复合材料用量占结构重量的28%，主要 的材料是 Carbon/3501-6 epoxy ，用于机翼蒙皮、控制面、前机身蒙皮前中央机身蒙皮， 并开始用于机翼、控制面和机身骨架，在受热零件上使用了 BMI（双马来酰亚胺树脂是热固 性树脂，加工简单，可在 200以上的高温下，其机械强度和电气性能仍保持较好。其在电 气电子、精密机械、汽车、航空航天等领域有着较高的评价，具有广阔的应用前景。） 。上 世纪 80年代复合材料在飞机结构上增加应用的目的是隐

3、身， 在此期间研制的 F-117和B2，复 合材料用量占结构重量的 40%，主要使用 Carbon/epoxy ，以及一些特殊的树脂和增强体。上 世纪90年代复合材料在军机上的用量有所降低 （F/A-18E/F 和 F-22 的用量为 22-26%），追 求减重（性能）变为要考虑成本因素。这一点从图 1可以看到。 C-17大型运输机的改进型机 的次承力结构使用了复合材料， 减重20%（213kg），零件减少90%（2000个），紧固件减少 80% （ 42000个），工装减少 70%，成本降低 50%。 图1 以下是美国的 F-35 战斗机使用复合材料情况。 图2 而且目前复合材料已在直升机上

4、得到广泛应用，具体如表 1 所示。如美国的武装直升 机 RAH-66，其复合材料用量达结构重量的 50%以上。美国的垂直起落、倾转旋翼后又可高 速巡航的 V-22（ 鱼鹰） ，几乎是一个全复合材料飞机。甚至已经出现了小型的全复合材料飞 机。着名的“星舟一号”客货两用机已通过适航鉴定；举世闻名的“旅游者”曾创下不加 油、不着陆，连续 9 天环球飞行的世界纪录。 表 1 直升机上复合材料使用情况 型号 H-34 CH-53 E UH-60A S-76 RAH-66 技术水 平 50 年 代 60 年 代 70 年代 80 年代 90 年代 金属材 料 87% 85% 72% 59% 22% 复合材

5、 料 - 5% 12% 18% 50% 其他材 料 13% 10% 16% 23% 28% 以上是复合材料在军机上的应用。复合材料在民机结构中应用长期以来主要在尾翼级 结构，主要原因是如何突破成本问题。本世纪中，随着 A380，Boeing787 和 A350在机翼和 机身结构中复合材料的大量应用，标志着低成本复合材料技术已突破，新纪元已到来，民 机结构的复合材料用量得到了大幅度增加。由图 3 可知复合材料在空客、波音等明航大飞 机上的用量逐年增加。 图 4 更加直观的看到了这一点。 空客 A380在主要承力构件上采用复 合材料 。复合材料用量占结构总重的 25，其中机身上壁板、上层客舱地板梁

6、、垂直安 定面、翼肋、机翼后缘操纵面、中央翼盒、后压力隔框等处大量应用复合材料。 图 3 新一代大型客机复合材料应用现状 铝 钢 钛 料 材 合 复 7 0 B 2 0 7 4 B 81 3 4 1 0 30 A 6 3 4 5 7 6 B 80 4 1 2 3 7 5 B 8 2 6 3 0 2 3 A 5 6 5 3 1 5 4 5 5 0 34 A 5 8 6 8 7 7 B 0 1 1 7 1 1 0 8 3 A 1 6 0 1 0 1 7 8 B 0 2 5 4 1 0 5 0 2 7 52 图4 干线客 机各种 材料结 构重量 百分比 （%） 由 以上的 波音 787 飞机和空客 A350飞机结构复合材料应用的历史性突破， 表明大型客机结构已进入 复合材料化时代。 当前复合材料发展的趋势是用热塑性复合材料代替传统的热固性环氧复合材料。主要 原因是热塑性复合材