[科普中国]-航空复合材料

发展历程

20世纪60年代末，高性能碳纤维作为增强纤维实现了初步的商业化，以连续碳纤维增强的高性能树脂基复合材料应运而生。下文提到的“高性能复合材料”特指这种连续碳纤维增强的树脂基复合材料。

飞机结构用高性能复合材料技术始于20世纪60~70年代，NASA(美国国家航空航天局)首先制订了航空复合材料技术发展和飞机服役计划，以推进和扩大复合材料的航空应用，使用的碳纤维主要以日本Toray公司研制生产的T300为代表，研制发展了受力较小的复合材料结构件如前缘、口盖、整流罩、方向舵和垂直安定面等，波音(Boeing)公司的波音737飞机扰流片、水平安定面和波音727飞机的升降舵首先实现这类复合承力制件的装机试用，并制定颁布了BMS 9 - 8(1977)碳纤维纱和织物的材料标准，揭开了飞机高性能复合材料技术应用的序幕。时间序列上，这时的复合材料称得上是第一代飞机复合材料。

20世纪70年代末到80年代，高性能复合材料开始成规模地应用于飞机的次承力结构，包括飞行控制面如副翼、升降舵、方向舵和扰流板等，当时的增强纤维材料仍然是Toray/Amoco的T300和Hercules公司的AS4碳纤维等，代表性的复合材料有Narmco公司的T300/5208等。这种复合材料可在177℃环境中使用，主要缺点是吸水性大，在湿热条件下玻璃化转变温度、弹性模量及压缩强度下降严重，复合材料90°方向的延伸率小、层间剥离强度低、韧性和耐冲击性能差，对缺口敏感性大，不能满足飞机机翼、尾翼和机身等主承力结构的要求。采用这些复合材料的机型包括波音公司的波音757、波音767、波音737-300以及空中客车(Airbus)公司(简称空客公司)的A 310、A 320飞机以及麦道公司(现波音公司)的MD - 80系列飞机等。

20世纪90年代，深入的复合材料研究进一步发现，增韧的热固性树脂基复合材料的剩余压缩强度对大的开口比脆性树脂基复合材料更敏感，增韧材料对大开口敏感性的增加来源于这种高抗分层能力复合材料中纤维的损伤和基体树脂的开裂。因此，复合材料的高性能化改进不仅要提高复合材料的分层阻抗，还要提高其损伤容限，并且平衡这两者的关系。换句话说，就是既要顾及小尺寸损伤(包括大多数冲击损伤)，也要顾及大尺寸损伤(包括穿透损伤和切断大开口等)。

到了21世纪的前10年，高性能复合材料飞机应用的两个划时代意义的里程碑当数空客公司的A380飞机和波音公司的“梦幻飞机”波音787飞机，其中，在A380上，高性能复合材料用量达到飞机结构用量的25%；而波音787飞机继续选用Toray公司的Torayca 3900/T800S系列高增韧的环氧树脂基复合材料作为主承力结构用材，部分选用了Hexcel公司的HexMC 8552高增韧环氧树脂基复合材料来制造飞机的大窗框，HexPIy8552/AS4被选用来制造大型复合材料发动机罩等。在波音787上，高性能复合材料的用量高达50%。

1984~2009年，民用飞机适航指导性文件FAA AC 20 - 107A《复合材料飞机结构》一直指导着民用飞机复合材料的结构疲劳、损伤容限要求和符合性验证技术等，2009年，FAA发布的FAA AC 20 - 107B文件总结了近20年复合材料结构发展和应用的成果和经验，丰富完善了FAA AC 20 - 107A文件。2

定义国际标准化组织曾在塑料名词术语的定义中，把复合材料定义为：“由两种以上物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多项体系。”由此可见，复合材料应该是多项体系；而且它们的组合必须有复合效果。

复合材料的含义有两种：广义的指由两个或多个物理相组成的固体材料。例如：纤维增强聚合物、钢筋混凝土、石棉水泥板、橡胶制品、三合板等。狭义的指用高性能玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等增强的塑料、金属和陶瓷材料。3

比较先进复合材料与传统金属材料相比有三个显著的不同之处3：

结构设计已从各项同性的金属材料设计转入正交异性的铺层优化设计。

结构件成形与材料成形同时完成，制造起着重要作用。

材料性能受环境因素(湿/热，冲击)影响显著，破坏模式多样化。

分类按基体材料类型分类按基体材料类型可分为有机材料基、无机非金属材料基和金属基复合材料三大类，按有机材料类型又可分为树脂基、橡胶基和木质基；按树脂种类分又有热固性树脂基和热塑性树脂基；按无机非金属材料类型可以分为玻璃基、陶瓷基、水泥基和碳基；按陶瓷种类分又有氧化铝基、氧化锆基、石英玻璃基等；按金属种类可以分为铝基、铜基、镁基和钛基等。

按增强体类型分类按增强体的几何形状可以分为颗粒增强型、纤维增强型和板状复合材料三大类；按颗粒尺寸的大小又可分为弥散增强型和颗粒增强型两类；按增强纤维的长度可以分为连续纤维增强型和非连续增强型两大类；而按非连续纤维的长短又有短纤维增强型和晶须增强型之分；按短纤维在复合材料中的排列方式又有随机排列和定向排列之分；按纤维的种类可以分为玻璃纤维增强、碳纤维增强、芳纶纤维增强、氧化铝纤维增强、氧化锆纤维增强、石英纤维增强、钛酸钾纤维增强和金属丝增强等；而按金属丝的种类又可分为钨丝、铝丝、不锈钢丝等；按层压板增强材料的不同可以分为纸纤维层压板、布纤维层压板、木质纤维层压板、石棉纤维层压板等。3