复合材料构件在飞行器制造方面的应用摘要：复合化是新材料的重要发展方向，复合材料已经成为航空 航天结构的基本材料之一，尤其在飞行器制造方面这是因为复合材 料的许多优异性能，如比强度高和比模量高，优良的抗疲劳性能，以 及独特的材料可设计性等，都是飞行器结构盼望的性能本文中阐述 了先进复合材料在航空航天方面的应用需求和现状，介绍了复合材 料诸如比强度和比模量高、耐器疲劳性、减振性、过载安全性、耐热 安全性、各向异性等特殊性质，介绍了复合材料在飞行器领域的研发 热点和前沿技术，国内先进复合材料可持续研发现状与应用中急需 解决的问题，最后总结了复合材料构件在国家航空航天事业的战略地关键词:位与发展前景，并对推动复合材料自主研发道路提出了一点建议复合材料 航空航天 低成本高性能 设计/评价一体化多功能高精尖前沿科学1. 复合材料是航空航天的重要物质基础与先导技术1. 1复合材料已成为四大类材料之一复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大 材料体系之一，复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几种不同物理、 化学性质的材料，通过复合工艺，以微观、细观或宏观等不同的结构尺度与层次， 经过复杂的空间组合而形成的新的材料系统。
它既能保留原有组分材料的主要特 色，又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同，从而获得原组 分材料无法比拟的优越性能，与一般材料的简单混合有本质的区别复合材料又 分为：纤维复合材料、夹层复合材料、细粒复合材料、混杂复合材料本文中主 要针对先进复合材料的结构与功能的关系，并拓展到应用领域（重点讲飞行器方面）1.2复合材料的结构与组成复合材料是由增强材料和基体材料组成的，连接两部分材料的叫做界面基体 的主要作用是：把纤维粘在一起：分配纤维间的载荷：保护纤维不受环境影响 在复合材料的成形过程中，基体经过一系列化学变化的复杂过程，与增强材料复 合成具有一定形状的整体增强材料的主要作用是：增加基体材料的拉伸程度 由此看出，基体材料是的性能直接影响整个复合材料的性能1.3复合效应复合效应是复合材料的特有性质，也是复合材料优越性能的关键所在符合 效应的实质是原项材料及其形成的界面相互作用、相互依存、相互补充的结果 复合效应分为线性效应、非线性效应、界面效应、尺寸效应和各向异性效应其 中要特别提及非线性效应的乘积效应乘积效应又叫传递特性，交叉耦合效应 顾名思意，乘积效应不仅仅是各组分性能的简单加和或互补，它可以创造出任何 单一材料都不存在的新的功能效应（如碳纤维复合材料）。
当然，有些材料在复 合之后某些方面的性能出现抵消甚至降低的现象，我们称为相抵效应，这些也是 不可避免的1. 4 先进复合材料的优越性先进复合材料的高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、 破损安全性好、性能可设计等优势已被世人所共识，与传统材料相比，复合材料 具有如下特点：（1）比强度和比模量高材料的强度除以密度称为比强度：材料的刚度除 以密度称为比刚度这两个参量是衡量材料承载能力的重要指标比强度和比刚 度较高说明材料重量轻，而强度和刚度大这是材料设计，特别是航空、航天结 构设计对材料的重要要求现代飞机、导弹和卫星等机体结构正逐步扩大使用纤 维增强复合材料的比例附图）密度□钢■铝合金□钛合金□玻璃纤维复合材料■高模碳纤维/环氧复合材料□高模石墨纤维/环氧复合材料■有机纤维/环氧复合材料□硼纤维/环氧复合材料■硼纤维/铝复合材料2L510.50比强度 比模量□钢■铝合金□钛合金□玻璃莽维复合材料■高模碳纤维/环氧复合材料□高模石墨纤维/环氧复合材料■有机纤维/环氧复合材料□硼纤维/环氧复合材料■硼纤维/铝复合材料（2） 耐疲劳性能好一般金属的疲劳强度为抗拉强度的40%〜50%，而某些 复合材料可达70%〜80%。
复合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩展到纤维 和基体的界面上，没有突变性的变化因此，复合材料在破坏前有预兆，可以检 查和补救纤维复合材料还具有较好的抗声振疲劳性能用复合材料制成的直升 飞机旋翼，其疲劳寿命比金属的长数倍3） 减振性能良好纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大，因此具 有良好的减振性能用同形状和同大小的两种梁分别作振动试验，碳纤维复合材 料梁的振动衰减时间比轻金属梁要短得多4） 过载安全性好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建超载，并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配 并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力附 图）（5）耐热性能好在高温下，用碳或硼纤维增强的金属其强度和刚度都比 原金属的强度和刚度高很多普通铝合金在400'时，弹性模量大幅度下降，强 度也下降；而在同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的铝合金的强度和弹性模量 基本不变复合材料的热导率一般都很小，因而它的瞬时耐超高温性能比较好6) 各向异性及性能可设计性复合材料的力学、机械及热、声、光、电、 防腐、抗老化等性能都可按照工程结构的载荷分布及使用或服役环境条件要求， 通过组分材料的选择和铺层设计以及界面控制等材料设计手段，最大限度地达 到预期的目的，以满足工程结构设计的使用性能，同时由于复合材料具有各向异 性和非均匀性，可以通过合理的设计消除材料冗余，最大程度发挥材料及结构的 潜力和效率。
7) 材料与结构一体化增强复合材料一般是整体成型的，使之结构的整体 性好，减少了零部件的数目及接头紧固件，从而缩短加工周期，降低成本,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粘连在一 起，先用模具成型，然后加温固化，由于制作过程中基体是由流体变为固体的， 因此不易在材料中形成微小裂纹，而且固化后残余应力很小8) 多功能性和发展性复合材料组成的多样性和随意性为复合材料具有除 力学性能以外的许多功能(如声、光、电、磁、热等创造了条件，使复合材料拥 有吸波、透波、耐热、防热、隔热、导电、记忆、阻尼、摩擦、阻燃、透析等功 能；同时与其它先进技术相结合，如与纳米技术结合发展的纳米复合材料，与生 物、医学科学相结合发展的生物复合材料，与微机电、控制、传感技术等相结合 发展的智能复合材料等，赋予了先进复合材料新的内涵随着先进复合材料研 究、研制及应用的不断扩大，其优越性能越来越得到充分发挥和扩大1. 3 先进复合材料已发展成为航空航天结构的基本材料减轻结构的重量可大大节约飞机的使用成本将先进复合材料用于航空航天 结构上可相应减重20 %〜30 %，这是其他先进技术很难达到的效果。
据国外有 关资料报告先进战斗机每减重lkg,就可节约1760美元航空领域的材料体系更强调性能与可靠性的综合，先进复合材料的应用不 仅具有减重的效益，而且还使飞机结构的其他性能得到提升例如复合材料的气 动剪裁技术可显著提高结构效率；整体成形技术可有效减少连接，提高结构可 靠性；复合材料耐腐蚀抗疲劳特点可降低维护成本2 .先进复合材料的研发热点2. 1 原材料技术是先进复合材料研发的基础与前提目前关于碳纤维的研究主要是提高模量和强度，降低生产成本使用的纤维 先驱体仍然主要是PAN和沥青纤维，二者的用量比例约为6 : 1一般来说， PAN基碳纤维具有高强度，而沥青基碳纤维具有高模量但通过控制微观结构 缺陷、结晶取向、杂质和改善工艺条件，利用PAN或沥青纤维均可获得高强/高 模纤维事实上到目前为止，要稳定生产模量〉700 GPA和强度〉5. 5 GPA的高 模高强碳纤维，仍然是非常困难的碳纤维的压缩强度较低，离子注入技术可改 善碳纤维的压缩强度，但这种工艺成本很高2. 2 新型复合材料是先进复合材料可持续发展的趋势与动力新型航空航天器的发展不断追求高效能、低成本、长寿命、高可靠对其材 料与结构的综合要求越来越高。
为适应此应用需求，一些新型复合材料应运而生， 在现有材料性能基础上继续挖掘先进复合材料潜力，如超轻材料与结构技术力 求轻上加轻，纳米复合使其强上加强，多功能化追求功上加功2. 2.1 纳米复合材料纳米材料科学是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学，而且涉及到原子 物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等 诸多学科，由于纳米材料体系具有许多独特的性质，在实际应用和理论上都具有 极大的研究价值，应用前景广阔，成为近些年来材料科学领域研究的热点之一， 被誉为21世纪最有前途的材料纳米复合材料已经成为先进复合材料技术的一 个新增长点，也是先进复合材料技术研究最活跃的前沿领域之一纳米复合材料 的超常特性使其在航空航天等领域具有广泛的应用前景2. 2.2 多功能增强基复合材料与结构从20世纪50、60年代的复合型多功能复合材料到现在的多功能一体化复 合材料，多功能复合材料的发展历史已近40年，在这几十年中，不仅多功能复合 材料的概念、结构和种类都发生了巨大变化，而且其应用领域也由战略导弹扩展 到卫星、航天飞机等各种宇航系统中，多功能复合材料的发展为航天工业和武器 系统的发展打下了坚实的基础。
新兴的多功能一体化型复合材料从一问世即引起 了广泛的重视,20世纪90年代后，美国军方特别注重多功能复合材料的研究与 发展，明确地指出该种材料在未来战争中将起到举足轻重的作用多功能复合材 料的发展速度极快,材料种类也不断增多，材料的功能性也不断增强其未来的发 展方向是不断满足现有型号和各种新型号的需要，努力提高功能性，即将尽可能 多的功能集于某一种单一材料上.2. 3 设计/评价一体化技术是先进复合材料应用的重要支撑与保障复合材料作为多相体（夹杂、基体、界面相等）材料，其自身具有显著和丰富 的细观结构特征，因此其宏观性能和损伤、失效规律不仅取决于每一组分材料的 特性，同时还依赖于复合材料的细观结构特征，其中包括夹杂（如纤维、晶须、颗 粒、裂纹、空洞等）的体积分数、形状、尺寸、分布规律及界面形式等复合材 料还具有材料、结构、工艺一体化的特征尤其对多向编织复合材料和纤维缠绕 先进复合材料来说，构件的材料和结构的设计与制造都包含组分材料、复合材料 结构三个层次上的同时性，没有复合材料的成品或中间产品因此，对复合材料 的研究必须采用“设计/评价” 一体化的研究思想3. 我国先进复合材料可持续研发现状与应用中急需解决的问题3.1国内复合材料国内复合材料在飞机上应用最多的是新研制的中、高空长航时无人机，其 机体复合材料的使用量达到70%,机翼翼展18米，为全复合材料结构。
其中机翼整 体盒段运用设计工艺一体化技术，将机翼的前后梁，上蒙皮和所有中间肋整体共 固化成型，在复合材料应用技术上有所突破图为我国自主研制翔龙高空长航时无人机)3. 2 国产碳纤维目前碳纤维最重要的增强材料，我国碳纤维研发与生产中存在的几个问 题：原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、研究与应用相互脱节等国外 预测我国将成为最大的复合材料制造商和用户，预计2010年中国的需求量将占 世界的1/4因此碳纤维技术的完善提升与企业的发展思路转型，成为我国创新 发展的一重中之重3. 3 低成本复合材料技术我国在低成本复合材料技术方面也面临着很大的挑战，尤其是在低成本制 造技术方面以某机翼研制为例，碳纤维树脂基复合材料每千克成本为9600元, 其中碳纤维约为1000元，。