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先进复合材料在航空航天领域的应用 1 复合材料的发展 “轻质、高生活、高质量可靠、高效、隐瞒、高突击和低成本”是下一代飞机的发展目标。而复合材料具有轻质、高强、可设计、抗疲劳、易于实现结构/功能一体化等优点, 因此, 先进复合材料继铝、钛、钢之后迅速发展成为飞行器四大结构材料之一, 目前先进复合材料已成为飞机结构基本材料。 无论是航空航天器的发展带动了复合材料的发展, 还是复合材料的发展推动了航空航天器的发展, 纵观近20年来, 飞行器结构复合材料化是一种有目共睹的发展态势, 过去是这样, 现在是这样, 可以认为以后还会是这样。应该说, 这几十年复合材料在飞行器结构上的应用取得了巨大成功, 获得了许多宝贵经验, 为后续发展奠定了坚实基础。当然也应该看到, 复合材料自身还存在不少问题, 有些方面还满足不了航空航天器发展要求, 同时也面临其他材料的挑战。因此, 复合材料必须克服存在的不足, 要在飞行器结构上大量应用必须强调更高效、可靠与低成本化, 这方面国内外已经进行了大量研究。本文则以设计是先导、材料是基础、制造是关键及评价是保障等复合材料应用四大方面核心技术为主线, 介绍相关研究动向与发展趋势;在此基础上, 结合作者近几年研究工作, 简要阐述新兴碳纳米管复合材料发展及其在航空航天领域的应用前景。 2 复合材料的生产 先进复合材料于20世纪60年代中期已应用于飞行器结构。近50年来先进复合材料在飞机结构上应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能、由军机应用扩展到民机应用的发展道路。 纵观国外军机结构用复合材料所走过的道路, 大致可分为三个阶段:第一阶段, 复合材料主要用于受力较小或非承力件, 如舱门、口盖、整流罩以及襟副翼、方向舵等, 大约于20世纪70年代初完成。第二阶段, 复合材料主要用于垂尾、平尾等尾翼一级的次承力部件, 以F-14硼/环氧复合材料平尾于1971年研制成功作为标志, 基本于20世纪80年代初完成。第三阶段, 复合材料开始应用于机翼、机身等主要的承力结构, 主要以1976年美国原麦道公司研制成功FA-18复合材料机翼作为里程碑, 此时复合材料用量已提高到了13%, 军机结构的复合材料化进程进一步得到推进。 复合材料相对于铝合金材料不仅具有较好的减重效益, 而且其整体成型技术可以有效减少连接, 提高结构可靠性和气动性能。20世纪90年代以来, 美国等发达国家的先进战斗机无一例外地大量采用复合材料结构, 包括垂尾、平尾、机身蒙皮以及机翼壁板和蒙皮等。如F-18E/F战斗机的复合材料用量占飞机总重量的19%, F-22战斗机的复合材料用量占飞机总重量的24%, F-35战斗机的复合材料用量占飞机总重量的36%, EF-2000飞机的复合材料用量占飞机总重量达到43%。目前世界军机上复合材料用量约占全机重量的20%~50%。如果达到50%, 则全机的主要结构几乎都由复合材料制成, 复合材料成为飞机结构的基本材料, 如B-2轰炸机其复合材料用量高达50%, 如图1所示, 全机结构几乎均为复合材料。 为满足无人机隐身性能、机动性能和生存力对材料的特殊要求, 尽可能降低结构重量, 提高燃油装载量, 无人机结构大量使用复合材料。与此同时, 在直升机领域, 复合材料的使用对于其提高抗坠毁性能具有重要的意义。因而机身结构、桨叶和桨毂组成的升力系统、传动系统也大量采用复合材料。 在民用飞机领域, 大型客机对于安全性、经济性、舒适性和环保性的高要求, 决定了对复合材料需求的必然性与迫切性。自20世纪70年代复合材料在民用飞机上开始应用以来, 近年来复合材料的用量逐步增加。美国波音公司B757客机上复合材料的用量达到2t, 约占飞机结构总重量的2.5%;B777客机复合材料应用于垂尾、平尾等部位, 用量增长到9.9t, 约占结构重量的11%。而B787客机复合材料用量则占总结构重量的50%, 如图2所示, 包括机翼、机身、垂尾、平尾等部位均采用复合材料制成, 从而提高燃油效率20%, 客舱舷窗尺寸增大30%, 有力地提高了大型飞机的经济性、舒适性和环保性。空客公司方面, A300及A310复合材料方向舵实现了减重20%;在A320、A322、A330、A340等机型中复合材料用量达到结构重量的15%左右。2005年初下线并首飞的A380超大型客机, 复合材料被大量用于中央翼、外翼、垂尾、平尾后承力框等部位, 整机复合材料用量达到了25%, 如图3所示。在空客的A350XWB机型中, 复合材料用量达到整机重量的52%。 同样, 复合材料广泛应用于航天器结构件, 包括卫星中心主承力筒、各种仪器安装结构板、太阳能帆板基板等。在运载火箭上被用于火箭排气锥体, 燃料储藏箱、燃烧室壳体、喷管、喉衬、扩散段以及整流罩等部位,