由于現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)性能的高要求，使得復(fù)合材料的發(fā)展突飛猛進(jìn)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化已成為必然的發(fā)展趨勢，這一趨勢將從根本上改變傳統(tǒng)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝，也將改變航天工業(yè)供應(yīng)鏈重組進(jìn)程，能否適應(yīng)這一重大變革，勢必影響一個(gè)國家航空制造業(yè)的成敗興衰，如今復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)，小到飛機(jī)上的受力較小的前緣，口蓋大到飛機(jī)尾翼機(jī)身，復(fù)合材料正在不斷快速的替代金屬材料。
 

      先進(jìn)復(fù)合材料誕生于20世紀(jì)60年代末，70年代初即應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)。先進(jìn)復(fù)合材料指的是性能和功能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其單體組分性能和功能的一大類新材料，他們通常都是在不同尺度，不同層次上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果，融會(huì)貫通了各種單質(zhì)材料發(fā)展的最新成果，甚至產(chǎn)生了原單質(zhì)根本不具備的全新的高性能與新功能，是可以替代金屬的結(jié)構(gòu)材料。先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料最普遍采用的是碳纖維，石墨纖維，芳綸纖維，硼纖維。其中的碳纖維是先進(jìn)加強(qiáng)件上最通用的纖維材料，而且被飛機(jī)和航天飛機(jī)最廣泛的應(yīng)用著。按照基體材料的不同，先進(jìn)復(fù)合材料分為樹脂基，金屬基和陶瓷基復(fù)合材料，當(dāng)前樹脂基復(fù)合材料技術(shù)基本成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍用飛機(jī)和民用飛機(jī)。以其為基體的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料自20世紀(jì)80年代以來受到重視，在航空航天工業(yè)中有了越來越廣泛的應(yīng)用。
 

       復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用大致可以分為三個(gè)階段：第一階段：是應(yīng)用于受載不大的簡單零件部件，如各類口蓋、舵面阻力板、起落架艙門等；第二階段：是應(yīng)用于承力較大的尾翼等次級主承力結(jié)構(gòu)，如垂直安定面、水平安定面、全動(dòng)平尾、鴨翼等；第三階段：是應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)，如機(jī)翼盒段、機(jī)身等。
 

       這三個(gè)階段所涉及的復(fù)合材料制造技術(shù)，是3個(gè)不同層次，在載荷水平上是完全不同的，對構(gòu)件制造技術(shù)的要求也不同，構(gòu)件的尺寸和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，也有大幅度的提高。國內(nèi)目前的技術(shù)水平，處于第2階段的水平。而美國已經(jīng)到第三階段而且規(guī)模很大。
 

 2.1.1 美國軍用戰(zhàn)機(jī)
 

       美國在復(fù)合材料方面具有強(qiáng)大的，全面的研究和生產(chǎn)基地，綜合實(shí)力最強(qiáng)。在戰(zhàn)機(jī)用復(fù)合材料方面，其規(guī)模和技術(shù)都走在世界前列。早在1974年美國的F-15A戰(zhàn)斗機(jī)就使用了復(fù)合材料，使用復(fù)合材料比例為2%。1995年首飛的F/A-18E/F戰(zhàn)機(jī)，復(fù)合材料的比例達(dá)到了22%，襟翼采用碳碳復(fù)合材料，機(jī)翼蒙皮也采用碳纖維-環(huán)氧復(fù)合材料。這時(shí)復(fù)合材料在飛機(jī)中的使用已經(jīng)到了第二階段，復(fù)合材料開始應(yīng)用于承力較大的部件。

       1982年，美國陸軍提出LHX（實(shí)驗(yàn)輕型直升機(jī)計(jì)劃），為響應(yīng)這個(gè)計(jì)劃同時(shí)為了減少雷達(dá)反射截面積， RAH-66科曼奇直升機(jī)廣泛應(yīng)用了復(fù)合材料，其所用復(fù)合材料占整個(gè)直升機(jī)結(jié)構(gòu)重量的51%，RAH-66是目前世界上使用復(fù)合材料最多的實(shí)用直升機(jī)。在基體結(jié)構(gòu)中使用復(fù)合材料的有蒙皮、艙門、桁條、隔框、中央龍骨盒梁結(jié)構(gòu)，炮塔整流罩、涵道尾槳護(hù)罩、垂直尾翼和水平安定面。在旋翼系統(tǒng)中使用復(fù)合材料的有撓性梁、槳葉、扭力管、扭力臂、旋轉(zhuǎn)傾斜盤、套管軸和旋翼整流罩。傳動(dòng)系統(tǒng)使用復(fù)合材料的有傳動(dòng)軸和主減速器箱。所用復(fù)合材料有韌化環(huán)氧樹脂，雙馬來酰亞胺樹脂、石墨纖維、玻璃纖維和Kevlar纖維等。在戰(zhàn)斗機(jī)和直升機(jī)上，先進(jìn)復(fù)合材料不僅是輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料，經(jīng)過研究改性后還具有一定的隱身功能。造價(jià)超過2億美元的B-2“幽靈”重型隱形轟炸機(jī)，于1978年開始研制，1993年12月交付使用，它的整個(gè)機(jī)身除主梁和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙采用了鈦復(fù)合材料外，其它部分均由不易反射雷達(dá)波的碳纖維和石墨等非金屬復(fù)合材料構(gòu)成，機(jī)翼蒙皮是六角形蜂窩狀?yuàn)A芯碳/環(huán)氧吸波結(jié)構(gòu)材料，該材料的面板為非圓Kevlar49增韌環(huán)氧，夾芯為表面經(jīng)過特殊處理的六角蜂窩狀Nomex，底板為非圓石墨增韌環(huán)氧。
 

      與國外先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)相比，國產(chǎn)戰(zhàn)機(jī)的復(fù)合材料的用量較少，在直升機(jī)領(lǐng)域復(fù)合材料的使用比例較大，直-3直升機(jī)中復(fù)合材料的使用率約為23%，殲8、強(qiáng)5戰(zhàn)機(jī)的垂直尾翼壁板及垂直尾翼使用了碳纖維樹脂基復(fù)合材料。高級教練機(jī)I-15“獵鷹”06的機(jī)頭罩和方向舵大部件都是由國產(chǎn)高性能碳纖維復(fù)合材料制造的。
 

       民用飛機(jī)不同于軍機(jī)，軍機(jī)的復(fù)合材料應(yīng)用上完尾翼馬上上機(jī)翼、機(jī)身。而民機(jī)飛機(jī)要求安全性、可靠性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性等，因此相隔了20年后才出現(xiàn)大型飛機(jī)的復(fù)合材料機(jī)翼和機(jī)身，這一段時(shí)間一是在發(fā)展相關(guān)技術(shù)，二是在努力降低成本，使之能與對應(yīng)的金屬結(jié)構(gòu)競爭，條件具備了才有第二階段邁進(jìn)第三階段的應(yīng)用[6]。在民用運(yùn)輸類飛機(jī)中，波音777的垂尾，平尾、后氣密框、客艙地板梁、襟翼、副翼、發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩和各種艙門等均使用了飛虎材料，總質(zhì)量達(dá)9.9t，占結(jié)構(gòu)總重的25%。新研制的波音787，機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)均有復(fù)合材料制成，復(fù)合材料用量達(dá)全機(jī)結(jié)構(gòu)總重的50%以上，其中約45%為碳纖維復(fù)合材料，5%為玻璃纖維復(fù)合材料，是世界時(shí)第一架采用復(fù)合材料機(jī)身，機(jī)翼的大型商用飛機(jī)。空客A320，A330等機(jī)型也大量采用了復(fù)合材料，用量占結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的13%，A380更是達(dá)到了22%[6]。

我國民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究起步較晚，在已經(jīng)取證的民機(jī)中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)使用有限。20世紀(jì)九十年代中期研制了Y7-100復(fù)合材料垂尾，并通過了試驗(yàn)驗(yàn)證和適航審查，在新支線客機(jī)ARJ21-700中，復(fù)合材料用量不到2%，主要應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)件、次承力件、根據(jù)專家估計(jì)，在已經(jīng)立項(xiàng)研發(fā)的國產(chǎn)大型客機(jī)結(jié)構(gòu)中，先進(jìn)復(fù)合材料用量將達(dá)到20%~50%，并將首次用于機(jī)翼級主承力構(gòu)件，原材料也將努力實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。隨著ARJ21-700的后續(xù)機(jī)型的研發(fā)，代表先進(jìn)技術(shù)的復(fù)合材料用量會(huì)進(jìn)一步增多，并將逐漸應(yīng)用到主要結(jié)構(gòu)上。
 

       纖維增強(qiáng)復(fù)合材料之所以能在軍用，民用飛機(jī)上的應(yīng)用如此廣泛，主要是因?yàn)槔w維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)異特性。
 

      纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由基體和增強(qiáng)纖維組成。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維比較均勻地分散在基體之中，纖維增強(qiáng)基體，其最主要的承載作用。基體的作用是把纖維粘結(jié)成一個(gè)整體，保持纖維間的相對位置，是纖維能協(xié)同作用，保護(hù)纖維免受化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不僅具有本身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有一般復(fù)合材料的性能和優(yōu)點(diǎn)。
 

3.1 比強(qiáng)度和比模量高

       單位質(zhì)量的強(qiáng)度和模量分別稱為比強(qiáng)度和比模量，比強(qiáng)度和比模量高對于實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化具有至關(guān)重要的作用，材料的比強(qiáng)度和比模量高，構(gòu)件可以做的小巧，重量可減輕，而且質(zhì)量不會(huì)受到影響。當(dāng)材料的強(qiáng)度和剛度相同時(shí)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件的重量可比鋼構(gòu)件重量減輕70%左右、航天工業(yè)的成本與航天器的質(zhì)量是息息相關(guān)的，對于航天衛(wèi)星來說每減少一公斤的質(zhì)量，將減少15-20萬美元的制造發(fā)射成本。
 

       疲勞破壞是材料在交變載荷作用下，由于裂紋的形成和擴(kuò)展而造成的低應(yīng)力破壞，是飛機(jī)墜毀的主要原理之一。與金屬材料相比，纖維復(fù)合材料特別是纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料對缺口。應(yīng)力集中敏感性小，而且纖維和基體的界面可以是擴(kuò)展的裂紋間斷變鈍或改變方向，即阻止了裂紋的迅速擴(kuò)展，從而具有較高的疲勞強(qiáng)度。
 

       在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，每平方厘米上的纖維數(shù)量少則幾千根，多則幾萬根，由具有韌性基體把它們連結(jié)成整體。當(dāng)這類材料制成的構(gòu)件遇到超負(fù)荷而又少量纖維斷裂時(shí)，構(gòu)件上的負(fù)荷能迅速地重新分配到未斷裂的纖維上，從而使整個(gè)構(gòu)件在短期內(nèi)不致喪失工作能力，所以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的破損安全性好。
 

       以聚合物為基體的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，基體具有彈性。在基體和界面上有裂紋和脫粘的地方，還存在著摩擦力。在振動(dòng)過程中，粘彈性和摩擦力使一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成了熱能。而且因?yàn)槔w維增強(qiáng)復(fù)合材料的比模量高，其自振頻率也很高，所以可以避免構(gòu)件在作業(yè)是產(chǎn)生共振，纖維與機(jī)體界面間具有吸收振動(dòng)能量的作用，即使產(chǎn)生了振動(dòng)也會(huì)很快的衰減下來。故這類材料構(gòu)件不容易產(chǎn)生振動(dòng)破壞。
 

      復(fù)合材料的高溫性能好，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)部件在大幅度溫度變化的環(huán)境下，具有非常微小的熱變形。一般鋁合金在400℃時(shí)，其強(qiáng)度和彈性模量顯著下降，而用碳纖維或硼纖維增強(qiáng)的鋁合金在此溫度下強(qiáng)度和模量基本不變。
 

       對于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可用手糊法、模壓成型法、纏繞成型法和拉拔成型法等制造工藝，復(fù)合材料的一次成型技術(shù)可以縮短飛機(jī)構(gòu)件的制造流程，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)模塊化，減少飛機(jī)整體的連結(jié)點(diǎn)，往往這些點(diǎn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象比較嚴(yán)重，一次成型技術(shù)可以有效解決這些問題，增強(qiáng)飛機(jī)抗沖擊能力，延長使用壽命，降低成本。復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性更多的是指功能或性能上的設(shè)計(jì)，比如可以通過特定方法制造出適用于航空航天工業(yè)零膨脹系數(shù)的材料等等。
 

      此外復(fù)合材料還具有其他一些方面的優(yōu)越性能：如損傷容限高，尤其是玻璃纖維層壓板表現(xiàn)出了極高的切口強(qiáng)度；具有突出的氣動(dòng)彈性剪裁好，當(dāng)改變纖維的組成、排列方向和鋪層厚度，就可以改變復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性，以達(dá)到設(shè)計(jì)者對設(shè)計(jì)對象的需求等等。
 

       航空工業(yè)對所需材料的要求是輕質(zhì)、高強(qiáng)、高可靠。當(dāng)前，飛行器上采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的主要目的是減輕機(jī)體結(jié)構(gòu)重量和改善氣動(dòng)彈性和隱身性能等。但隨著未來飛行器的發(fā)展需求不斷提升，在未來復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可能會(huì)出現(xiàn)諸多挑戰(zhàn)如未來的飛行器可能需要具有變體的能力^[1]；未來飛行器必須滿足在極端環(huán)境下的飛行等等。

 代表著最高端科學(xué)結(jié)晶的未來飛行器與先進(jìn)復(fù)合材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，必然推動(dòng)整個(gè)航空航天工業(yè)乃至全人類的科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。