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复合材料占飞机整体材料的百分比已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一；复合材料的设计、一体成型技术不断发展,复杂曲面构件成型日趋成熟；各航空公司及维修单位对复合材料的维护及修复工艺不断加强,成为复合材料在飞机上应用的有力保障
一、概述
复合材料是由两种或两种以上的保留其物理和化学特性的材料组成的一种新的多相材料,各组分材料之间有明显的界面.当外力加在复合材料上时,该组合将互相作用.复合材料可以表现出各组成材料单独没有的特性.飞机上典型的复合材料一般由蜂窝、纤维和集体材料组成,其主要应用有：
－飞行控制舵面
－起落架舱门
－机翼和安定面的前后缘面板
－内舱设备
－飞机尾部和客舱地板梁
－机翼、机身和飞机尾部
二、飞机复合材料的发展
1930年代,复合材料初露端倪,随着玻璃纤维的发展,出现了凯夫拉纤维和碳纤维.但由于设计及制造的成本问题,复合材料市场一度低靡.随着数字设计、一体成型技术的发展,复合材料在飞机结构上的使用获得高速发展.
随着在波音707飞机的机翼两端,雷达罩和尾锥上使用新型的玻璃纤维增强体复合材料结构,标志着复合材料在飞机设计中再次应用的开始.在这些部件的成功应用使以后的新型号飞机上增加了复合材料的应用.波音747飞机上超过一万平方英尺的区域使用了玻璃纤维复合材料结构.波音777飞机上,已在飞机尾部、地板梁和襟翼上使用碳纤维的复合材料作为主要结构.在过去的数十年中,波音和空客已经投入数十亿美元到新材料的研究和开发中.这也使波音和空客有能力在787、A380飞机上使用先进复合材料作为飞机主要结构的材料.
其次,复合材料的应用部位由次承力结构向主要承力结构过渡,如A380上,采用碳纤维复合材料的有：翼盒、翼肋、机身后段、地板梁、垂尾等.787复合材料的应用更让人瞩目,机身、机翼、短舱、水平尾翼和垂直尾翼等,用量超过了50%.
三、复合材料作为飞机结构的使用特性
应用在飞机结构上的复合材料是由高性能的纤维和树脂基体组成.其中,纤维是主要的承载元件,而树脂基体的作用是支撑纤维,并传导纤维之间的剪切力.由于纤维和树脂基体的不同特性,复合材料将在纤维的方向上有很高的强度和刚度.树脂基体相对于纤维是比较脆弱和软的.复合材料有很高的强度重量比,因此在飞机上使用复合材料能节省飞机的重量.当利用碳纤维树脂复合材料结构来替代铝结构时,可节省20%以上的重量.可见,减少重量是先进复合材料最大的优点和选用的重要因素.复合材料的高强度也可显著地减少重量,因在负载的方向上,对应纤维的方向,堆积层层纤维就可满足负载要求.
相对于传统结构,复合材料的其它优点有：
—不存在腐蚀问题
—很高的抗疲劳性能
—可通过载荷要求来进行设计
—可显著地减少组件中的部件
四、飞机上典型的复合材料结构
(1)全深度蜂窝结构组件
有两种全深度蜂窝结构组件形式：
—多个已固化的部件胶接在一起
—单独固化的部件
多个已固化部件胶接在一起的例子就是波音系列飞机上的副翼.副翼是通过将预固化的外侧蒙皮和梁,通过胶接在一起形成的.
单独固化的部件是指在同一步骤中布置并固化形成的,如：机翼的前缘和后缘口盖、翼身整流罩
(2)多层板蜂窝结构组件
多部件组件是通过紧固件将不同胶接的部件组合在一起形成的.某些飞机上的大型控制舵面就是通过此方法完成的,比如波音737,747,777系列飞机上的方向舵和升降舵.
(3)层压部件
层压部件是利用预浸料单向带或预浸料织物制造的.层压结构和蜂窝结构的不同在于部件中的增强方式.蜂窝结构中,我们利用蜂窝芯使两边的蒙皮分开的方法使部件增强.在层压结构中,使用的是大量铺层或使用加强筋来使部件增强,加强筋可以是“I”形、“T”形、或“帽”形.在787飞机的机身中就使用“帽”形加强筋,在机翼和垂直安定面中就“I”形加强筋.层压部件比蜂窝结构部件重,但其防冲击能力强.
五、复合材料的典型修理
飞机复合材料的修理目的是最大限度的恢复飞机结构的完整性和安全性,修理的效果如何与多种因素有关.如修理后的耐久性、刚度、气动平滑度、重量、工作温度、环境因素等,因此为了避免修理中出现意外的错误,必须严格按照一定的操作规程进行.常规的修理步骤为：去除损伤,清洁并干燥,重置蜂窝或修理铺层,加热压层.
飞机上的复合材料的修理一般分为胶接修理和铆接修理,胶接修理又可分为湿铺层修理和预铺层修理.胶接修理的优点是应力集中小,增重少.缺点是对施工环境要求高,质量难于控制.而铆接修理适用于较厚的整体壁板.复合材料的修理对厂房设施,温度湿度等都有一定的要求,一般需要无尘工作间,并保持温度和湿度恒定.
针对复合材料修理一般耗时较长的问题,波音也开发了一种便携的快速修理包——QCR,一般用于航线的应急修理,平均耗时为2小时,大大提高的维修效率.
六、结束语
飞机的绝大部分结构将采用复合材料的这一趋势已经成为现实,随着材料方面的新进展,比如智能复合材料的出现,以及复合材料的设计、制造向数字化、集成化、知识化方向的发展,将大大加速这一趋势.作为航空公司,应不断加大复合材料结构方面的培训与实践,储备经验与人才,以适应这一趋势.