复合材料在航空领域的演变发展

复合材料广泛应用于飞机工业，使工程师克服了单独使用材料时遇到的障碍。组成材料在复合材料中保持其特性，不溶解或以其他方式完全融合在一起。这些材料一起创造了一种改善结构性能的“混合”材料。

轻质、耐高温复合材料的开发将使下一代高性能、经济的飞机设计成为现实。使用这种材料将减少燃料消耗，提高效率，降低飞机的直接运营成本。

复合材料可以形成各种形状，如果需要，纤维可以紧紧缠绕以增加强度。复合材料的一个有用的特性是它们可以分层，每层中的纤维都朝着不同的方向运动。这使得工程师可以设计具有独特性能的结构。例如，一个结构可以被设计成在一个方向弯曲，而不是在另一个方向弯曲。

波音787梦幻客机各种材料的使用情况

复合材料的合成

在基本复合材料中，一种材料作为支撑矩阵，而另一种材料则建立在这个基础上并加强整个材料。这种材料的形成是一个昂贵而复杂的过程。本质上，基材是在高温高压下在模具中铺开的。然后，将环氧树脂或树脂倒在基材上，当复合材料冷却时，就会形成一种坚固的材料。还可以通过将二次材料的纤维嵌入到基体中来生产该复合材料。

复合材料具有良好的抗拉强度和抗压缩性能，适合用于飞机零件制造。这种材料的抗拉强度来自于它的纤维性质。当施加拉伸力时，复合材料中的纤维与施加力的方向对齐，从而获得拉伸强度。其良好的抗压性能可归因于基体体系的粘结性和刚度性能。树脂的作用是使纤维保持直柱状并防止其弯曲。

航空及复合材料

复合材料对航空工业很重要，因为它们具有与金属合金相当的结构强度，但重量更轻。这将提高飞机的燃油效率和性能。

1.复合材料在航空工业中的作用

璃纤维是最常见的复合材料，由嵌入树脂基体的玻璃纤维组成。玻璃纤维在20世纪50年代首次广泛用于船舶和汽车。玻璃纤维在20世纪50年代首次用于波音707客机，当时它只占整个结构的2%。波音公司制造的每一代新飞机都增加了复合材料的使用比例;最高的是787梦幻客机50%的复合材料使用率。

波音787梦想飞机将是第一架主要结构部件由复合材料而不是铝合金制成的商用飞机这款飞机将从老式的玻璃纤维复合材料转向更先进的碳层压和碳夹层复合材料。梦幻客机的翼盒曾遇到过问题，原因是用于制造该部件的复合材料刚度不足这导致了飞机最初交付日期的延迟。为了解决这些问题，波音公司正在通过在已经建造的翼盒上增加新的支架来加强翼盒，同时对尚未建造的翼盒进行修改。

2.复合材料的测试

由于材料的复杂性，通过计算机模拟很难准确地模拟复合材料部件的性能。复合材料通常是层层叠加以增加强度，但这使制造前的测试阶段复杂化，因为这些层的方向不同，很难预测它们在测试时的表现。

也可以对零件进行机械应力测试。这些测试从小型模型开始，然后逐步进行到结构的较大部分，最后到整个结构。这些结构部件被放入液压机中，通过弯曲和扭曲来模拟远超真实飞行中最糟糕预期条件的压力。

3.复合材料使用因素

重量减轻是复合材料使用的最大优势，也是决定其选择的关键因素之一。其他优点包括它的高耐腐蚀性和抗疲劳损伤。这些因素从长远来看对降低飞机的运行成本，进一步提高其效率起到了一定的作用。复合材料的优点是它们可以用成型工艺制成几乎任何形状，但这加剧了本已困难的建模问题。

使用复合材料的一个主要缺点是它们是一种相对较新的材料，因此成本较高。高成本还归因于劳动密集型和通常复杂的制造过程。复合材料很难检查缺陷，而其中一些材料会吸收水分。

相比之下，尽管铝更重，但却容易制造和修理。它可以被撞凹或刺穿，但仍然保持在一起。复合材料不是这样的;如果它们损坏了，就需要立即修复，这既困难又昂贵。

4.节省燃料，减轻重量

燃油消耗取决于几个变量，包括:飞机干重、有效载荷重量、飞机龄、燃料质量、空速、天气等。复合材料制造的飞机部件的重量减少了大约20%，例如787梦想飞机。

5.环境影响

向绿色工程的转变更加明显。我们的环境受到当今社会越来越多的思考和关注。复合材料制造也是如此。

如前所述，复合材料具有较轻的重量和与较重材料相似的强度值。当较轻的复合材料运输或在运输应用中使用时，与较重的替代品相比，环境负荷较低。复合材料也比金属基材料更耐腐蚀，这意味着零件的使用寿命更长从环境的角度来看，这些因素结合在一起使复合材料成为很好的替代材料。

传统生产的复合材料是由石油纤维和树脂制成的，本质上是不可生物降解的这就产生了一个严重的问题，因为一旦复合材料的生命周期结束，大多数复合材料就会被扔进垃圾填埋场由天然纤维制成的可生物降解复合材料正在进行重要的研究生物可降解复合材料的发现可以很容易地大规模制造，并且具有与传统复合材料类似的性能，这将给包括航空工业在内的几个行业带来革命性的变化。

帮助环保工作的另一种选择是回收退役飞机的旧部件。飞机的“非工程化”是一个复杂而昂贵的过程，但由于购买一手零件的成本很高，可能会为公司节省资金。

——陶瓷基复合材料

美国国家航空航天局(NASA)正在大力开发用于飞机部件的轻质高温复合材料。根据初步计算，一个概念发动机的涡轮进气道温度预计将高达1650°C为了使材料能够承受这样的温度，需要使用陶瓷基复合材料(cmc)。在先进发动机中使用cmc还可以提高发动机运行时的温度，从而提高产量虽然cmc是一种很有前途的结构材料，但由于缺乏合适的增强材料、加工困难、寿命和成本等原因，其应用受到了限制。

蜘蛛丝是另一种很有前途的复合材料。蜘蛛丝具有很高的延展性，可以拉伸到正常长度的140%蜘蛛丝在零下40摄氏度的低温下也能保持强度这些特性使蜘蛛丝成为生产韧性复合材料的理想纤维材料，即使在异常温度下也能保持其强度。韧性复合材料将有利于飞机的部分，将受到可变应力，如机翼与主机身的连接。这种复合材料增加的强度、韧性和延展性将允许在灾难性故障发生之前对部件或连接处施加更大的应力。以合成蜘蛛丝为基础的复合材料还有一个优点，那就是它们的纤维是可生物降解的。

在实验室里，人们曾多次尝试复制蜘蛛丝，但都没有成功，但还没有实现完美的再合成。

结论

由于复合材料具有较高的强度重量比，与传统金属材料相比具有优势;虽然，目前制造复合材料是昂贵的。在引入技术以降低初始实施成本并解决当前复合材料不可生物降解的问题之前，这种相对较新的材料将无法完全取代传统的金属合金。

此文由中国复合材料工业协会翻译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。