现代飞机的“血肉”：复合材料

沈海军

在大多数人的印象中，飞机是银光闪闪的飞鹰，之所以如此，主要是因为目前大多数的飞机采用了包括蒙皮在内的银白色铝合金结构。然而，自上世纪70年代末以来，以碳纤维复合材料为代表的各种复合材料在飞机结构上的用量不断增多，正使得这一状况发生着微妙的变化。

2005年和2007年，世界上最大的民用客机——空中客车A380以及美国的大型喷气客机——波音787相继诞生，它们代表了当今世界民机的最高水平。细心的人们惊奇地发现，在这两款飞机的选材介绍中，复合材料的用量均达到空前水平。其中，A380飞机上的复合材料用量为25％左右，而波音787飞机上的复合材料用量则超过了50％。事实上，除了上述民机以外，现在最先进的第四代战机F－22、F－35等的复合材料用量也分别高达24％和30％。A380、波音787、F－22、F－35等一批先进飞机的问世标志着现代飞机已从“铝为主，钛、钢、复合材料结构并存”的时代迈向“复合材料为主，铝、钛、钢结构共存”的新时代。

另据专家透露，在我国着手建造的国产大飞机上，传统的铝合金部件有望被大量轻而强韧的碳纤维等复合材料所取代，并且这件完美“外衣”将尽可能地实现中国制造。

第四代材料

那么，到底什么是复合材料呢?不同的组织或出处给出的定义略有不同。如，国际标准化组织将复合材料定义为：“两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料”；而“材料大辞典”则将复合材料定义如下：“复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它与一般材料的简单混合有本质区别，既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。”

可见，复合材料并不是什么新材料，它只是由两种或两种以上的不同材料组合而成的工程材料而已。也许其中某种组分的某项特性并不优越，但不同材料之间却能互相协同，取长补短，使复合材料的最终综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求。

研究人员把复合材料这种扬长避短的作用称为复合效应。人们利用复合效应可以自由选择复合材料的组成物质，人为设计各种新型复合材料，从而把材料科学推进到新的阶段。所以，国外也把复合材料称为第四代材料或“设计材料”。

现代飞机为何大量使用复合材料

目前飞机上广泛使用的复合材料以碳、硼、玻璃等纤维增强树脂为主。这些碳纤维、硼纤维或玻璃纤维通常具有很高的强度和刚度，而树脂基体的密度很低。除了上述的纤维增强树脂复合材料以外，飞机上还使用了金属基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳／碳复合材料。

现代飞机结构中之所以大量使用这些复合材料，主要有以下几个原因。

首先，和金属材料相比，复合材料具有更高的比强度和比刚度。这里所说的比强度、比刚度指的是材料的强度或刚度除以密度。这是两个衡量材料承载能力的重要指标。显然，比强度和比刚度越高，说明这种材料的重量越轻，并且相对强度和刚度越大。碳、硼、玻璃等纤维增强树脂的这些特性，正是结构设计，特别是航空、航天结构设计对材料的基本要求。

其次，复合材料具有良好的抗疲劳性能。飞机在滑行、起飞、降落和着陆过程中不断经受着交变的循环载荷，即所谓的疲劳载荷。结构或材料承受这种疲劳载荷的能力通常被称为材料的抗疲劳性能。研究表明，金属结构在受到疲劳载荷时，局部位置极有可能萌生裂纹，裂纹进而会在不知不觉中增长，最后突然断裂。相比之下，复合材料的疲劳断裂通常是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，始终没有突发性的变化。因此，检修人员可以有足够的时间来检查和补救。一项实验表明，用碳纤维复合材料制成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用铝合金金属的长数倍。

第三，复合材料具有良好的安全性及减振性能。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会被迅速重新分配并传递到未遭破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。与此同时，纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼(指振动系统能量损失、振幅逐渐减小的能力)较大，因此，纤维复合材料结构的振动衰减时间比相应的轻金属结构要短得多，即具有较好的减振性能。

第四，复合材料的成型工艺简单。纤维增强复合材料一般适合于整体成型，因而减少了零部件的数目，从而可减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。另外，制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体黏结在一起，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力(构件在机械制造加工的过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用和影响，在这些因素消失后，若构件所受到的上述作用力不能随之完全消失，仍有部分作用和影响残留在构件内。则这种残留的作用和影响被称为残留应力，或残余应力)很小。这些对提高结构的疲劳寿命都是极其有利的。

第五，使用复合材料的经济性价比高。虽然碳纤维等复合材料的成本在目前依旧比铝合金要贵，但飞机重量大幅度减轻所带来的经济效益远远超过了材料成本较高的负面效应。根据波音公司的承诺，使用了50％复合材料的波音787飞机可以降低20％的油耗，其中有8％的油耗归功于大量使用复合材料后显著减轻了机身重量。另外，与钢或铝合金零件相比，复合材料更适合整体化成型，如波音787机身就是由4个大型复合材料机身段拼接而成。减少了零部件数量就意味着成本的降低。与此同时，由于选用了大量的复合材料零部件，传统的金属结构机械修补方法，如铆接、焊接、螺接等可以大量被新的复合材料结构胶接修补技术所替代。复合材料胶接修补不仅工艺简单、维修质量可靠，而且成本低廉。据报道，若大量采用复合材料结构胶接修补技术，波音787的外场维护间隔时间将有望从同类波音767飞机的500小时提高到1000小时，维修费用则比同类波音777飞机低32％。

第六，铝、钛等合金通过冶金手段加入碳化硅短纤维、氧化铝粒子等增强剂后，在比强度、耐高温、耐疲劳、抗紫外辐射等性能方面与未强化前的合金相比，都有显著的改进。

最后，陶瓷基复合材料以及碳／碳复合材料具有良好的强度和热稳定性，非常适合于制作某些耐高温的发动机部件。

现代飞机使用了哪些复合材料

目前飞机上使用的复合材料一般以纤维增强树脂为主。严格地讲，树脂其实也属于塑料，常用的主要包括环氧树脂、聚酯、乙烯酯、酚醛和聚酰亚胺树脂等。虽然这些树脂低密度的特点符合飞机设计“斤斤计较”的要求，但是其强度较低，于是研究人员通过加入各种纤维来增加材料的强度。这些增强纤维主要有碳纤维、硼纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等。

除了纤维增强树脂复合材料以外，近20年来，以铝、钛及镁等为基体的复合材料在航空领域内也取得了重大突破，如以碳化硅短纤维、氧化铝粒子增强的铝、钛合金为基体的复合材料。这类材料与未强化合金相比，在比强度和比刚度、耐高温、耐疲劳、抗震动、耐紫外线辐射、可加工性等性能方面都有大幅度的提高。

陶瓷基复合材料以及碳／碳复合材料也是近年来出现的可用作耐高温发动机部件的两类新型复合材料。目前用的最多的陶瓷基复合材料产品是以碳化硅或碳纤维增强的氧化物或氮化物基体材料，可用于制造飞机发动机加力燃烧室、燃烧室瓦片、喷嘴、火焰稳定器等，以代替高温合金。这种陶瓷基复合材料抗弯强度高，断裂韧性高，比重小，抗氧化，耐高温，热膨胀系数较小，工作温度在1250℃－1650℃。与此类似，碳／碳复合材料的耐热性也很好，能耐1650℃以上的高温，它具有密度小、强度高、模量高、导热性优良、膨胀率低以及抗蠕变和抗热冲击性等优点，已开始应用于火箭发动机的喷管喉衬、隔热瓦片和飞机刹车块等部位。

值得一提的是，一种近来出现的被称作“Glare层板”的新型复合材料。这种材料具有三明治结构。外层通常是由铝合金板组成，铝合金板中间夹有芳纶或玻璃等加强纤维。这种Glare层板具有复合材料高强低密的特点，又兼有铝合金的优点——韧性和抗疲劳性能好。据报道，合理设计使用Glare层板可使飞机结构减重30％，而且经济效益更好，因此，A380客机上已大量应用了这种Glare层板。

责任编辑赵菲