复合材料在航空航天⼯业中的应用（上）

1.引言

2024中国(珠海)国际航空航天展览会于11月12日盛大开幕，今天让我们来回顾复合材料在航空航天⼯业中的应用。复合材料在航空工业中有着⼴泛的应⽤，特别是在⻜机技术中。复合材料被⽤作机身关键部件（如机翼、机⾝、尾翼和起落架）。它们还⽤于直升机部件，如机⾝、尾梁和旋翼叶⽚。因重量轻，强度⾜以承受不同航空航天部件的严酷负载条件，它们被广泛应用于⾼性能轻型产品中。

2 复合材料在航空(飞机)中的应用

结构应用中的复合材料飞机部件通常采用夹层结构制造。该结构通常具有碳纤维面板或碳纤维与玻璃纤维组合而成的蜂窝状核心面板。对于飞机内饰应用，复合材料部件需要满足机械性能和加工性能的要求，且结构受压部件必须满⾜阻燃要求。

由纤维增强环氧树脂或酚醛树脂制成的复合材料，被⼴泛应⽤于⾏李舱、侧壁板、天花板、地板、厨房、隔板、货舱地板衬垫等内饰部件。复合材料在⻜机上的应⽤如下表所⽰。

酚醛树脂因其优异的防火性能(如低可燃性、低烟、低毒气体排放)而被广泛使用。玻璃纤维是飞机内饰部件最常用的纤维。重量是改善飞机效率和性能的主要因素。在飞机结构中应用轻质复合材料可以显著减轻飞机重量。

2.1固定翼飞机结构中的应用

在许多飞机部件中，纤维增强复合材料已成为传统金属的替代品。这主要归功于它们重量轻、强度高、耐用性好、耐腐蚀、抗疲劳和耐损伤特性好。复合材料在飞机相关技术中有着广

泛的应用,如上表所示。其中一些是机翼表面、压缩机叶片、发动机舱门、风扇叶片、直升机旋翼轴、涡轮叶片、涡轮轴、翼盒结构等。新型波音787的机身采用了50%的复合材料。未来所有空客和波音飞机都将使用大量高性能复合材料,如下图所示。

空客A380飞机上的复合材料应用

聚合物基复合材料具有更高的强度和刚度,在航空航天领域取代了传统的铝基合金。空中客车公司在空中客车A300飞机上使用了先进复合材料。在波音777结构中,石墨环氧树脂尾翼是第一个复合材料主结构。在2020年投入使用的波音777X使用了复合材料机翼。

波音787飞机上的复合材料应用

波音飞机通常将碳纤维增强塑料用于副翼、襟翼/升降舵、方向舵、起落架舱门、发动机罩舱门和整流罩。空客A320在机身腹部蒙皮、垂直尾翼、机身整流罩、机翼固定前缘/后缘底部检修板、导流板、后缘襟翼、襟翼轨道整流罩、扰流板、副翼、前轮/主轮舱门、主起落架支柱整流罩舱门、发动机短舱和碳刹车中使用复合材料。空客各机型的复合材料使用总量为：空客  A300（5%）、空客  A310（7%）、空客  A320（15%）和空客  A330/A340（12%）。

2.2直升机旋翼结构中的应用

直升机的抬升需要很大的力量来克服自重。直升机越重,就需要更大的发动机和更坚固的机身,这会影响零件的重量和成本。由复合材料制成的更坚固的轻质机身只需要一个小型发动机，从而降低直升机的整体重量和成本。复合材料在直升机结构中的应用广泛,包括驾驶舱、主旋翼和尾旋翼叶片、稳定器和机身部件等各种部件,如下图所示。

直升机的复合材料部件

蜂窝结构采用铝、玻璃纤维和碳纤维制成。它主要应用于旋翼结构，即主旋翼和尾旋翼结构。数几十年以来,人们一直使用玻璃纤维增强旋翼叶片来提高抗疲劳性。大多数玻璃纤维箔片具有良好的结构性能,可以提高升力和速度。

典型的蜂窝材料

芳纶蜂窝夹心碳纤维蜂窝材料

铝叶片在接近40,000  次循环后会发生故障，而复合材料叶片则能通过超  500,000  次循环故障测试。

2.3 燃气涡轮发动机中的应用

燃气涡轮发动机需要能够承受极端条件的特殊材料，同时稳定地为飞机提供能量和推力。一般来说，材料需要具有轻质、高强度、耐损伤、耐高温、抗氧化和耐腐蚀性能的特性。通过使用整体编织陶瓷基复合材料(CMC),可以提高燃烧室入口温度,同时最大限度地减少燃烧室衬套冷却所需的冷却剂气体。

燃气涡轮发动机中的陶瓷材料

使用碳-碳复合材料的燃气涡轮发动机部件包括排气喷嘴、襟翼、密封件、增强器、燃烧室和隔音板。碳-碳复合材料正用于F-100喷气发动机加力燃烧室喷嘴和涡轮叶轮等产品。整体编织CMC可有效冷却燃烧室内的高温,在燃气轮机的开发中有着广泛的应用。

与金属材料相比，陶瓷材料密度较低，是航空发动机的绝佳选择。它们更适用于航空涡轮发动机排气喷嘴的轻质热段部件，具有较长的设计使用寿命。

2.4飞机刹车中的应用

碳纤维增强材料是一种高强度复合材料，它具有比重低，吸热能力强的特点。这些材料具有

抗热冲击、抗损伤和抗高温性能。由于上述特性,碳-碳复合材料在刹车方面有广泛的应用。它们的基本性能满足着陆时正常和超重条件下的刹车要求。这些刹车设计目前正用于不同

的飞机,如协和式客机、空客和波音系列。GE90发动机也使用此种材料，以提高抗撞击性能，抗撞击损伤是防止鸟类撞击的重要设计。涡扇发动机的风扇机匣是发动机中最重的部件。风扇机匣由相对较轻的材料制成,例如钛、铝和碳纤维增强塑料。

碳‑碳化硅/C‑SiC  复合材料飞机刹车

2.5 飞机座椅、头顶行李舱和地毯织物中的应用

飞机内饰部件包括不同单元组成的热塑性组合物。聚合物包括双酚、碳酸酯单元和单芳基芳基化物单元。或碳酸酯单元、单芳基芳基化物单元和硅氧烷单元，或包括两种以上的上述聚合物的组合,可以作为飞机内饰复合材料的组分。

飞机座椅结构

多层聚合物或称为二氧化钛(TiO2)  的复合材料具有双重自清洁性能，具有光氧化和防粘性。基于这些特性，该材料被广泛用于制作飞机座椅和地毯的织物 。

2.6 防雷组件中的应用

因为铝制飞机极佳的导电性，能够消散雷击产生的高电流。根据不同的电阻率特性,碳纤维对电流的电阻是铝的 1,000 倍,而环氧树脂在垂直于蒙皮时电阻是铝的1,000,000 倍。

在以上区域，雷电在一定时间内与机身结构直接或间接接触。当飞机被击中时，通道中的雷电流会流过飞机。防雷区域点或飞机机身采用碳纤维增强塑料制成，以防雷击。外部复合材料部件的表面通常由一层导电材料制成，用于防雷击，保护层位于飞机部件的顶部，如下图所示。

复合防雷材料