复合材料在航空航天中的应用探讨

张苗苗

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司

黑龙江省哈尔滨市 150060

摘要：随着我国材料科学的不断发展，复合材料在许多材料建设过程中占有重要地位，在航空航天领域许多复合材料将被用作航空飞行器的基本材料，采用复合材料能有效提升航空航天飞行的质量和水平，为航空航天发展提供技术支撑和原材料的保障，因此本文通过分析复合材料自身的特点及分类情况，对航空航天领域进行具体深入的了解，从而促进航空航天领域的发展。

    关键词：复合材料；航空航天；应用；

    复合材料工艺技术的发展为实现民用飞机大部件的整体设计与整体制造提供了可能，使得飞机结构零部件的数量大大减少，提高了飞机的生产效率和可靠性。目前采用复合材料取代金属和非金属等常规材料制造结构件已经成为世界民机制造业的主流趋势，这对中国自主研制的大型民用飞机的市场竞争力提出了严峻的考验。会大型民用飞机制造作为高技术产业, 可以说是制造业的一个制高点, 发达国家都在争夺这个制高点。

一、复合材料性能

进入二十一世纪以来,我国航空航天事业得到前所未有的发展,同时航空航天领域对于复合材料性能的要求不断提高,研发更高性能的复合材料成为必须解决的问题,先进复合材料随之诞生,先进复合材料具有多功能性、经济效益最大化、结构整体性以及可设计性等众多优点,将先进复合材料应用在航空航天领域,能够有效地提高现代航空航天的性能,首先就是与传统钢材料、铝材料相比之下减轻了航空航天器的近 30%质量,在提高性能的同时,还能降低制造成本与运营养护成本,目前,先进复合材料已经成为飞船、卫星、飞机、火箭甚至无人机等航空航天器的应用材料比强度（拉伸强度与密度之比）高、比模量（弹性模量与密度之比）高。例如，高模量碳纤维复合材料的密度只有钢的1/5、铝的3/5，其比强度则为钢的5倍、铝的4倍、钛合金的3.5 倍以上；其比模量是钢、铝、钛的4 倍或更高（钢、铝、钛是目前飞机的主要金属材料）。由于复合材料大大降低了飞机的结构重量，为航空公司带来了极为可观的经济效益。复合材料，特别是纤维增强树脂基复合材料，由于纤维对制件表面的裂纹或类裂纹缺陷（应力集中源）起到了桥接的作用，故阻止了裂纹的迅速扩展，而且在拉伸时对疲劳裂纹的增长也几乎不敏感。例如，碳纤维增强聚酯树脂复合材料疲劳极限可达抗拉强度的70％～80％，而金属材料疲劳极限远远低于这个数值，对于20～30 年使用寿命的飞机，该复合材料对疲劳几乎不敏感。纤维复合材料中大量独立存在的纤维通过具有韧性的基体把它们粘合成整体，当构件中有少数纤维断裂时，其它完好的纤维就会将承载接受下来并重新进行分配，因而构件不至于在短时间内发生断裂，故断裂安全性好。

二、复合材料在航空航天中的应用

1.航空发动机中的应用在航空发动机的结构设计中,高性能系统对于材料本身在轻型化与耐高温方面有着更加严苛的要求。 新型材料与工艺技术的快速发展是为了服务于新一代航空发动机的发展要求,特别是最新的先进复合材料已经大规模应用在航空发动机中,例如将发动机的空气流动通道中应用陶瓷基复合材料,便可仅需少部分甚至无需冷却气体来冷却发动机的高温部位,从而也便可促使涡轮扇发动机的重量大大降低,发动机的运转效率也将达到更大水平,相应的发动机性能、耐久能力、 在未来的航空领域发展过程中,无人机将是至关重要的一个发展方向,无人机的主流发展趋势便是飞行高度更高、时间更长、隐身效果更好,要想提高无人机制造效率、较小制造成本,复合材料的应用便将成为重要的一项技术工程。 例如将石墨/ 环氧复合材料应用在无人机的尾翼部位,相较于传统的铝合金混合结构其重量可减小 60%以上。此外,设计人员应用复合材料还能够实现传统金属材料所难以企及的空气动力学设计,如超声速飞行的前掠翼飞机。碳纤维复合材料之所以拥有着十分广泛的市场发展前景，最为主要的原因就是其具备的优良力学性能。目前，为了推动碳纤维复合材料的发展，国内外很多企业家都投入了大量的人力物力，甚至部分企业已经形成了专门的生产线，并且这些生产线都是极具规模化的。要想使碳纤维复合材料的产能进行转化，成为促进国民经济发展的重要因素，我们就要努力扩大这种材料的应用领域，同时还要不断提升该材料在航空领域的应用水平。为了尽早实现这样的目标，我们必须不断对碳纤维复合材料的技术进行提升。为了提高碳纤维的工艺性能，通常在制造过程中都会在该材料的表面涂上一层名为上浆剂的物质，这样可以在很大程度上提高该材料的性能。

2.上浆剂对于碳纤维复合材料有着十分重要的影响作用，所以国内外的很多研究人员都对其投入了大量的关注，特别是日本东丽公司，他们已经将上浆剂的品种作为了公司的机密，并且采取了严格的保护措施。由于碳纤维复合材料本身就具有一些较为优异的性能特点，所以在进行该材料的结构设计时，我们必须注意以下几点：结构设计方法不能一味按照金属结构的设计方法进行、在进行结构设计时必须进行充分的考虑。如果做不到以上两点，那么材料原本的机理就会受到一定的损坏，并且设计出来的材料性能很有可能逊色于其他金属材料。为了有效的推进复合材料的运用以及优势，在设计过程中相关人员必须进行充分的考虑，从而设计出一种性能优异，成本较低的复合材料。其复合材料使用量首次达到了50wt％。波音机身机翼采用碳纤维层合结构，升降舵和方向舵保留了过去采用的碳纤维夹芯结构，发动机舱除受力大的发动机吊挂外均采用碳纤维夹芯结构，整流罩采用玻璃纤维夹芯结构。

3.制造工艺最突出的特点之一就是机体采用了整体成型的筒形结构，这对过去的壁板整合结构是个革命性的改变。一是大量减少了连接件，减少了结构质量和装配工时；二是机身的气密性以及抗疲劳性能大大提高；三是生产效率大幅度提高，有利于降低生产成本。翼盒、主翼蒙皮、水平尾翼、垂直尾翼以及后机身前段(第47段)都应用了铺带一热压罐固化工艺。后机身前段铺层数最薄处为12层，而最厚处接近100层，自动铺带机能根据设计要求自动调整不同位置的铺层厚度、角度，并能留出窗口位置。除此之外还包括高硅铝合金等，涵盖的范围较广。在进行相关材料运用过程中，目前航空航天领域对系列产品的安全系数把控较为严格，因此这也使金属基复合材料在此领域的应用具有极大的挑战性。在目前商用、军用飞机制造生产过程中，金属基复合材料均可以为其提供相关的借鉴经验和生产细则。金属基复合材料较传统的材料相比。在飞机进行扭转或发力过程中都可以作为主要的承载结构。在结构上较以往材料来说具有改进和优化的特点。通过不同种类以及不同尺度的材料能够增强自身的多元性，从而促进材料之间的复杂表达。金属基材料的应用在该领域中越来越广，它还可以在多种不同条件下进行应用，它可以引入特定的小颗粒或其他晶体等纤维物质，进一步增强自身的机械性能，也可以根据相应情况，保持稳定性。因此金属基复合材料，具有较高的应用价值。

结语

综上所述，在航天航空领域，我们通过对复合材料进行选择，可以综合复合材料本身的特点，研发出更高效的飞行器，而且此种飞行器还具有高强度、易回收等功能，在未来的航空航天领域发展过程中，相关部门可以尝试采用复合材料代替传统材料对相应飞行器进行改造和加工，从而让飞行器本身具有更强的竞争性和合理性。复合材料的使用可进一步推动我国航空航天领域的发展。
   参考文献：

[1]王利.碳纤维复合材料在飞机中的应用[J].科技展望，2019：111.

[2]黄刚．先进复合材料在无人机和太阳能飞机上的应用[J]．材料保护，2021，（S2）．

[3]王全．飞机复合材料结构修理设计渐进损伤分析[D]．南京航空航天大学，2021．