一、引言
复合材料是除金属合金之外最重要的航空航天应用材料。复合材料于20世纪60年代首次应用于军用飞机，随后于20世纪70年代扩展到民用飞机应用，与同等铝设计（集成设计和优化）相比，通常可以节省 15‑20%的重量。因此，在某些情况下，部件的应用导致零件成本大幅增加。碳纤维热固性材料的应用不断增加，从次级结构、控制面开始，后来是机翼和主要机身结构，已经证明几乎所有结构化飞机部件都可以用这些材料制造，并且可以实现预期效益。这一经验证 明了下一代现代飞机使用量增加的合理性。为了降低飞机成本和重量,使用了热塑性材料,由于其先进的性能，它们比金属更昂贵。原材料价格很难降低，因此被认为更容易降低制造工艺的成本。目前，刚度和强度更高的新型碳纤维的开发进程很快。复合材料具有较高的比刚度和强度，而且制造工艺能使产品更轻，因此在运输领域受到广泛关注。由于重量减轻，燃料消耗和排放可以减少。研究发现，客机每增加一公斤重量,每年就需要消耗130升燃油。一般来说，花钱增加航程或有效载荷比花钱买燃油要好。碳纤维热固性材料的应用范围不断扩大，从次级结构、控制面开始，到后来的机翼和主要机身结构，已经证明几乎所有结构飞机部件都可以用这些材料制成，并且可以实现预期的效益。这一经验证明了下一代现代飞机增加复合材料利用率的合理性（图 1）。可以预见，碳纤维复合材料的使用范围将达到几乎所有浸湿面积和约 40% 的结构重量将由碳纤维复合材料制成。在开发新型战斗机时，对性能改进的不断需求要求大幅减轻承载结构的重量。除了设计技术的改进（例如集成设计、优化）外，碳纤维复合材料与更高效的施工方法一起提供了显著的减重潜力。本研究描述了战斗机碳纤维复合材料的选择标准，以便在充分了解要求的情况下选择最合适的重量、强度和成本。
图1.欧洲台风战斗机的材料分解。
碳纤维复合材料广泛应用于许多现代战斗机，如洛克希德马丁F‑35闪电、欧洲战斗机、拉斐尔和萨博鹰狮。碳纤维材料是飞机承重结构中使用最广泛的部件之一，例如：(1)机翼蒙皮；(2) 襟副翼；(3) 垂直稳定器；(4) 机身；以及尾翼。欧洲台风战斗机约 40% 的结构重量是碳纤维增强复合材料（图1）。减轻重量可以提高有效载荷航程能力,提供在性能水平不变的情况下缩小子系统尺寸的机会，或提高燃油效率。另一个例子是美国第五代战斗机F/A-22，它是世界上最先进的飞机，在机身、机翼和尾翼的最重要部位使用了复合材料。事实上，钛合金占这架军用飞机总重量的 40%，复合材料占 34%。这些部位负责气动升力。此外，这些复合材料的结构强度和耐用性促进了其他飞机部件的开发。如今的隐形飞机由碳纤维增强聚合物制成，因为碳纤维具有优异的性能，有助于减少热辐射和雷达反射。图 2 描绘了用于欧洲战斗机的CFC机翼，它通过弯曲和剪切配件连接到机身。抗扭盒由承载蒙皮和粘合在下部蒙皮上的承载剪切的翼梁和肋组成。
图2.碳纤维复合材料机翼的强度标准。
为保证结构的性能，必须确保箱体设计的主要标准。碳纤维复合材料的机械性能，如高抗拉强度和碳纤维复合材料的压缩弹性模量、高缺口拉伸强度和缺口压缩强度，提供了较高的襟副翼效率、足够的蒙皮和翼梁 腹板屈曲稳定性以及较高的载荷引入承载强度。图 3 显示了驾驶舱区域前机身的典型结构，并证明了此处与机翼相同的标准也有效。
图3.碳纤维机身的典型剖面。
航空工业对降低油耗和环境影响的要求很高。必须以经济高效的方式减轻重量，而这只有通过设计师和制造工程师之间的大量沟通才能实现。尽管如此，还必须大大减少零件（和紧固件）的数量。复合材料部件的特性不仅取决于组成材料，还取决于将它们合并成最终组装部件所用的工艺。这些工艺（制造技术）取决于化学特性，主要分为三类：（2）开放式成型（铺层、喷射、纤维缠绕、拉挤、自动纤维铺放、固化）；（3）闭式成型（注塑、树脂传递模塑、真空辅助树脂灌注、压缩成型）。在制造过程中，必须避免出现空隙和收缩。
第一代碳纤维在用于飞机机身结构时，具有高比弹性模量和高比强度的特点，而断裂时的伸长率相对较低（约为1%）。与铝和钛等传统金属材料相比，碳纤维复合材料具有许多优势。在航空航天应用中使用复合材料的主要优势是可以减轻重量。例如，用碳纤维增强复合材料代替铝合金，重量可减轻12% 。这种重量节省可用于减少燃料消耗或增加有效载荷、机动性和速度。其他好处包括复合材料的优异的抗疲劳和耐腐蚀性能以及其减振性能。同时，碳纤维强度的提高是通过以下方式实现的：原有环氧树脂的缺点是吸湿性相对较高，并且在潮湿环境下对温度敏感，导致基质过早软化（降低玻璃化转变温度）。在潮湿条件下（70oC/85%RH），T300/914在较短时间内增加更多重量。因此，它不能赋予碳纤维复合材料高抗压强度。然而，在某些聚合物中，可以观察到积极的水分效应。事实上，如果聚合物吸水后低分子量物质的损失比水塑化效应（降低玻璃化转变温度）更显著，那么水分老化后的弹性模量可以增加。
尽管碳纤维增强复合材料与金属相比更具竞争力且更具成本效益，但必须开发先进技术来缩短制造时间，同时提高效率和成本效益。复合材料必须设计用于要求极高的环境，并且应具有耐腐蚀性。
碳纤维复合材料重量极轻，强度重量比高，但机械性能取决于多种因素，如堆叠顺序和层厚度。在航空工业中，通过选择最合适的材料,现代战斗机的碳纤维复合材料结构重量可减轻2.7%至5.6%。
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