摘要：随着材料学总体体系的不断优化完善，复合材料在诸多行业领域中得到广泛应用。由于复合材料具有热稳定性优异、比强度与比钢度高等应用特征、优势，被应用于航空航天领域中，用于制作大型民用客机、军用战斗机等机型的前翼、前机身等结构，发挥出显著应用效用。而本文也对先进复合材料在飞机结构中的应用情况、发展现状与未来趋势开展以下研究。
关键词：飞机结构；先进复合材料；应用现状；发展趋势
引言：复合材料早在上世纪四十年代被首次应用于航空工业、航空航天等领域中。随着航空航天领域的不断发展，以及对民用客机、军机性能要求的不断提高，推动了复合材料的发展进程，碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等复合材料不断问世，并在飞机结构中得到广泛应用。而随着复合材料种类的不断增多、丰富，不同先进复合材料在飞机结构中的应用方向也呈现出不断细化的发展趋势，如机敏复合材料、仿生复合材料与隐身复合材料的问世，也在直接程度上推动了隐性战斗机等新机型的发展。
一、先进复合材料应用与发展历史
复合材料主要指，由人造、将两种及以上化学、物理性质存在较高差异性的材料加以适当比例结合，从而形成的一项新型材料，也被称作为复合材料。复合材料的问世时间较长，早在古代便研发出纤维复合材料（如麦秸黏土等）。而随着航空工业的不断发展，自上世纪四十年代起，复合材料便在航空航天领域中得到广泛应用，主要被用于制作战斗机、轰炸机与中大型民用客机的机身结构中。例如玻璃钢便被应用于喷气式飞机机身中的油箱、管道结构中，在充分保障飞机结构稳固性、强度的同时，大幅降低了飞机机身自重量。
随着复合材料的不断发展、优化完善，上世纪下半叶，美国贝奇飞机制造公司设计、制造出人类历史上第一架全复合材料构成的密封飞机。在机身外层结构中应用了大量的碳纤维复合材料，形成了一层具有耐高温、导电、耐腐蚀、抗摩擦等诸多应用优势的碳纤维外壳。而在飞机机身中层结构中则使用、配置了大量的环氧化物，从而使得这一架飞机的机身自重量只有同等规模、载客量民用科技的50%，但机身结构强度系数却基本等同。这一架飞机的问世，也进一步证实了先进复合材料在航天航空领域中的应用价值。
而在当前航空航天领域发展中，先进复合材料也成为飞机结构中应用最为常见的材料之一。例如在我国直-9A型直升机中，使用复合材料构建起Nomex蜂窝夹层结构、平尾、侧短板与涵道垂尾复合结构，并设计、制作了复合材料桨叶、桨毂。其中涵道尾桨桨叶则是由11片复合材料桨叶以共同构成。而直9A型直升机的尾部尾撬也是由先进复合材料所构建、组成。
二、材料应用与发展现状研究
1、先进复合材料在民用客机结构中的应用现状
复合材料凭借其比重小、耐热、耐疲劳、耐磨损等诸多应用优势，被广泛应用于民用客机的飞机机身结构中，并大幅提高了飞机的各项性能指标。例如在2009年美国波音公司所设计的波音787型超远程中型客机中，便应用了大量的先进复合材料用于制作客机机身结构。例如在波音787机型客机中超过一般以上的机身结构都选择由先进复合材料加以构成、制作。而由于将先进复合材料以取代传统机身结构中广泛使用的铝合金材料，也实现了对波音787客机机身自重量的缩减、以及机身结构强度等物理力学性质的提升。而波音787客机中所使用复合材料的形式也与常用于F1赛车中的碳纤维复合材料相似。得益于此，波音787型客机成为历史上首架超远程中型客机。而波音公司早在上世纪八十年代便将先进复合材料大规模用于客机机身制造领域中，例如A310客机的尾翼、A350客机的机翼便主要由先进复合材料所制成。随着复合材料的不断问世，波音公司也逐渐将不同机型客机中复合材料的总体所占比例由20%（A310机型）上调至50%以上（787机型）。例如在波音787机型飞机机身结构中，复合材料（碳纤维材料）的总体所占比重高达61%。
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在大型民用客机领域中，先进复合材料也得到了广泛应用。例如在1987年欧洲空中客车公司所研发的A340大型民用客机中，也采用了由先进复合材料主要构成的基本机身结构。而在机身、机翼处也使用了大量先进复合材料。此外A340客机的尾翼、不同操纵面、客舱地板、整流包皮均由复合材料加以完全制成。
2、先进复合材料在军用飞机结构中的应用现状
复合材料近年来在世界各国主力军用机型中都得到广泛应用。例如在我国歼-20第五代重型战斗机中，先进复合材料的总体所占比例预计为20%上下，这一比例与美国主力战斗机机型F22中的复合材料总体所占比比例基本相同（F22中复合材料使用率为26%）。而由于在歼二十战斗机机身结构中所采用的是新型碳纤维复合材料。因此在机身自重量减重、结构性能等层面上都占据明显优势。此外在部分军机型号飞机机身结构中，先进复合材料的用量也有明显提升。例如美国空军现役的B-2轰炸机机身结构中，复合材料的用量预计超过机身总体材料用量的50%，是目前已知军机中复合材料用量比例最高的机型。
3、材料发展现状
虽然复合材料凭借其热稳定性优异、比强度与比钢度高等应用特征与优势，并降低了飞机运行对燃料的消耗量，因此在民用客机、军机以及载人航天飞机等领域中的得到广泛应用。但复合材料也存在制造技术不完备、造价成本过于高昂等应用缺势。因此复合材料的量产化、低成本化与制造技术完备化，也是当前我国复合材料的主要发展趋势、研发方向。此外在复合材料应用层面上，受技术、发展时间等多方面因素共同限制，在材料研发、飞机结构应用层面上仍存在一定的不足与优化空间。具体来讲，我国处于将先进复合材料广泛应用于飞机不同安定面、尾翼等结构中，但无法进一步提高复合材料用量（如将复合材料应用于机身主承力结构中）的发展困境与阶段。
三、先进复合材料未来应用与发展趋势
1、不断提高先进复合材料在飞机结构中的用量
在当前航空航天领域发展中，逐渐将复合材料的用量视作为衡量不同机型飞机整体性能的重要衡量标准之一。而我国虽然已实现将先进复合材料广泛应用于各类主力军机机型结构中，但复合材料的使用量仍需要进一步提升。例如以歼二十战斗机和F22战斗机为例。虽然通过对新一代碳纤维复合材料的应用，使得歼二十战斗机的整体性能高于F22战斗机。但在复合材料用量上却有所不足（歼二十复合材料用量比例为20%上下、F22复合材料比例为26%）。因此也需要将提高复合材料在飞机结构中的用量为首要研发方向、发展趋势。
2、构件整体成型、过渡主承力结构
在飞机结构中，应用复合材料的主要目之一为，减轻分飞机机身自重量。因此在材料应用方向中，可以将复合材料视作为核心基础，将飞机结构中不同构件、装置加以整体化、集成化发展，进一步减轻飞机自重量、提高飞机结构稳固性。例如对传统飞机结构中桁条框架的去除。此外，需要以应用复合材料为途径，推动飞机结构由传统的等次承力结构向主承力结构进行过渡与发展。
结语：在复合材料飞机结构应用层面上，我国虽然取得了一定的成果，但仍旧存在复合材料用量小、飞机结构缺乏合理性、材料造价成本过于高昂等问题，尚存一定的优化改进空间。因此我国需要适当提高对复合材料的研发力度、材料在飞机结构领域中的应用力度，进一步优化飞机整体性能，并充分发挥复合材料在提高飞机结构效率、改善气动弹性等方向中的应用优势。
参考文献：
[1]孙振起，吴安如.先进复合材料在飞机结构中的应用[J].材料导报.2015（11）
[2]黄春芳，曾竟成，江大志，鞠苏，石刚.先进复合材料在无人机和太阳能飞机上的应用[J]. 材料保护.2013（S2）
[3]沈真.碳纤维复合材料在飞机结构中的应用[J].高科技纤维与应用.2010（04）
论文作者:喻于欣,王影
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/7
标签：复合材料论文; 结构论文; 飞机论文; 机身论文; 客机论文; 先进论文; 波音论文; 《基层建设》2019年第23期论文;