新型材料在航空制造領(lǐng)域的應用---4.25最新

1、天津中德職業(yè)技術(shù)學院 航空航天與汽車學院畢業(yè)設(shè)計 天津中德職業(yè)技術(shù)學院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （論文）論文題目 新型復合材料在航空制造領(lǐng)域的應用 學 院 _航空航天與汽車學院_ 專 業(yè) _ 飛機制造技術(shù)_班 級 10級飛機制造技術(shù)2班_姓 名 _ 指導教師 _ 目 錄第一章 新型航空材料的基礎(chǔ)知識31. 航空材料的研究與發(fā)展3 2. 新型航空材料的特點5第二章. 新型航空材料的性能分析61.鋁鋰合金1.1 Al-Li合金的特點61.2 Al-Li合金的強韌化機制71.3 Al-li合金的熱處理82復合材料2.1復合材料的構(gòu)成82.2復合材料的分類及特點92.3復合材料的缺點10第三章. 新型航空材料

2、的實際應用12 1.Al-Li合金的應用12 2. 復合材料在航空發(fā)動機上的應用12 3. 復合材料在機翼上的應用12 4. 復合材料在機身上的應用 14第四章. 展望未來發(fā)展前景17 1.金屬系復合材料17 2.取向凝固結(jié)晶17 3.陶瓷系材料17參考文獻18第一章 新型航空材料的基礎(chǔ)知識航空材料與航空技術(shù)的關(guān)系極為密切，航空航天材料在航空產(chǎn)品發(fā)展中具有極其重要的地位和作用：航空材料既是研制生產(chǎn)航空產(chǎn)品的物質(zhì)保障，又是推動航空產(chǎn)品更新?lián)Q代的技術(shù)基礎(chǔ)。1.1航空材料的研究與發(fā)展航空材料的分類航空材料有不同的分類方式：按成份可分為四大類：l 金屬材料：鋁合金、鎂合金、鈦合金、鋼、高溫合金、粉末冶

3、金合金等。l 無機非金屬材料：玻璃、陶瓷等l 高分子材料：透明材料、膠粘劑、橡膠及密封劑、涂料、工程塑料等。l 先進復合材料：聚合物基復合材料、金屬基復合材料、無機非金屬基復合材料、碳/碳復合材料等。按使用功能可分為兩大類：l 結(jié)構(gòu)材料.功能材料所謂結(jié)構(gòu)，是指由板、桿等承力單元件構(gòu)成的承力系統(tǒng)，在載荷作用下，該系統(tǒng)只產(chǎn)生小的彈性形變，即系統(tǒng)應具有幾何不變性。如承力系統(tǒng)是幾何可變的，則承力系統(tǒng)不是結(jié)構(gòu)，而是機構(gòu)。以飛機為例，航空產(chǎn)品中典型的結(jié)構(gòu)包括：機身、機翼、垂直尾翼、水平尾翼、各種操縱面、起落架（除傳動機構(gòu)之外的部分）等。用于加工制造這些結(jié)構(gòu)的單元件的材料都屬于結(jié)構(gòu)材料。1. 鋁合金鋁合金因

4、其技術(shù)成熟、成本低、使用經(jīng)驗豐富等優(yōu)勢，在相當長的時期內(nèi)，仍將是亞音速飛機和低超音速飛機的主要結(jié)構(gòu)用材之一。2. 結(jié)構(gòu)鋼一些新型超高強度鋼在今后仍然還會是起落架、主要接頭、隔框等一些主要承力構(gòu)件的備選材料。3. 鈦合金鈦合金在飛機結(jié)構(gòu)用材中所占的重要地位已確定無疑，但是鈦合金的較貴的價格和較差的工藝性，是影響使用的很大因素。4. 先進復合材料由于先進復合材料具有比鋼、鋁、鈦高得多的比強度、比模量和耐疲勞等優(yōu)點，在未來高性能的飛機結(jié)構(gòu)材料中，先進復合材料將會占據(jù)越來越重要的地位，甚至完全有可能出現(xiàn)全復合材料結(jié)構(gòu)的飛機。航空發(fā)動機用材的演變早期的活塞式發(fā)動機的結(jié)構(gòu)材料以普通碳素鋼為主。渦輪噴氣發(fā)動

5、機（包括渦輪風扇發(fā)動機和渦輪槳葉發(fā)動機）的性能水平很大程度上依賴于高溫材料的發(fā)展。其中尤以渦輪部件材料最為關(guān)鍵：1. 渦輪葉片材料在二十世紀四十年代，盡管噴氣式發(fā)動機的原理早已提出，但由于沒有合適的高溫材料用于制造渦輪，所以發(fā)展遲緩。到五十年代初，英國的White公司開發(fā)出了鎳基高溫合金。到六十年代，開始使用真空熔煉方法制造高溫合金，合金的純度得到提高，性能更好。七十年代，開發(fā)出定向凝固、單晶鑄造等高溫部件制造工藝，使葉片的最高工作溫度和耐疲勞性能進一步提高。2. 渦輪盤材料二十世紀四十年代的渦輪進口溫度約為800900，采用了16-25-6鐵基合金。五十年代，隨著渦輪進口溫度提高到950，出

6、現(xiàn)了沉淀硬化合金，應用沉淀強化原理使合金具有更高的高溫強度。到七十年代，進口溫度提高到了1240，出現(xiàn)了Rene 95合金和粉末冶金高溫合金。對航空產(chǎn)品性能的要求日益攀升，要求使用推重比更高、經(jīng)濟性更好的航空發(fā)動機。軍用發(fā)動機的推重比已經(jīng)達到10，如美國的F119發(fā)動機已裝備了F22戰(zhàn)斗機。大推力渦輪風扇發(fā)動機如GE90、PW4073/4084、Trent800等早已為B777、A330等大型寬體客機所選用。在這些先進航空發(fā)動機中，高溫材料仍屬于核心技術(shù)。如軍用發(fā)動機中的高溫鈦合金（壓氣機盤和葉片）、高溫合金板材（燃燒室）和粉末冶金材料和單晶葉片材料（渦輪）等，民用發(fā)動機中使用的單晶葉片材料和

7、粉末高溫合金渦輪盤材料。1.2新型航空材料的特點航空產(chǎn)品特殊的工作環(huán)境對航空材料的性能要求集中表現(xiàn)在“輕質(zhì)高強、高溫耐蝕”。所謂“輕質(zhì)高強”是指，要求材料的比強度高，即要求材料不但強度（靜強度高、能承受大過載、疲勞強度高）高而且密度小。航空工業(yè)有一句口號叫做“為每一克減重而奮斗”，反映了減重對于航空產(chǎn)品的重大經(jīng)濟意義。而且材料減重對飛機減重的貢獻也越來越大，所以輕質(zhì)高強是航空材料必須滿足的首要性能要求。 “高溫耐蝕”的“高溫”是指航空材料要能耐受較高的工作溫度。對機身材料，氣動力加熱效應使表面溫度升高，需要結(jié)構(gòu)材料具有好的高溫強度；對發(fā)動機材料，要求渦輪盤和渦輪葉片材料要有好的高溫強度和耐高溫

8、腐蝕性能?！澳臀g”是指航空材料要有優(yōu)良的抗腐蝕，特別是抗應力腐蝕、腐蝕疲勞的能力。當然，除以上性能外，對某些材料還要求有其他方面的性能，如：非金屬材料要具有良好的耐老化性能和耐氣候性能；透明材料要具有良好的光學性能；電工材料具有良好的電學性能；以及防火安全性能等。航空產(chǎn)品的高可靠性、多樣性對航空材料提出了更高的質(zhì)量要求。航空器是技術(shù)密集、高集成度的復雜產(chǎn)品，只有采用質(zhì)地優(yōu)良的航空材料才能制造出安全可靠、性能優(yōu)良的飛機、發(fā)動機。航空產(chǎn)品的多樣性和小批量生產(chǎn)，導致了航空材料研制和生產(chǎn)上的多品種、多規(guī)格、小批量、技術(shù)質(zhì)量要求高等特點。航空產(chǎn)品降低成本的需求導致要發(fā)展低成本航空材料。新型號的先進飛機價

9、格不斷攀升，各航空技術(shù)領(lǐng)先的國家和地區(qū)都先后對航空產(chǎn)品提出了“買得起”的要求。而材料在航空產(chǎn)品的成本和價格構(gòu)成中占有相當份額，所以科學地選材和努力發(fā)展低成本材料技術(shù)是航空材料發(fā)展的重要方向。第二章新型航空材料的性能分析2.1.鋁鋰合金 新材料是航空航天的重要技術(shù)基礎(chǔ)，航空航天技術(shù)的發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)，航空航天技術(shù)的發(fā)展又不斷對材料科學提出新的問題和要求。鋁鋰合金是近十幾年來航空金屬材料中發(fā)展最為迅速的一個領(lǐng)域。2.1.1 Al-Li合金的特點 鋰是世界上最輕的金屬元素，密度僅為0. 534gcm3，為鋁的1/5，鐵的1/15。鋰元素為地球存在較多的金屬，同時海水中還有相當大的含量。把金屬鋰作為

10、合金元素加到金屬鋁中，就形成了鋁鋰合金。加入金屬鋰之后，可以降低合金的密度，增加剛度，同時仍然保持較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。因為這些特性，這種新型合金受到了航空、航天以及航海業(yè)的廣泛關(guān)注。正是由于這種合金的許多優(yōu)點，吸引著許多科學家對它進行研究。鋰在鋁中的溶解度隨溫度變化而改變。當鋰含量大于3%時，Al-Li合金的韌性明顯下降，脆性增大。因此，其合金中的鋰含量為2% -3%。Al-Li系合金具有密度小，比強度高，比剛度大，疲勞性能良好，耐蝕性及耐熱性好等優(yōu)點（在一定熱處理條件下）。但Al-Li系合金的塑性和韌性差，缺口敏感性大，材料加工及產(chǎn)品生產(chǎn)困難。用Al-Li合

11、金制作可使飛機減重10%-20%，可提高飛機的飛行速度和承載能力。因此，AI-Li合金是一種在航空、航天領(lǐng)域中很有競爭力的一種新型超輕結(jié)構(gòu)材料。Al-Li合金的價格是硬鋁價格的23倍，若在海水中萃取鋰的技術(shù)獲得成功，則可得到價格便宜的鋰材料。 Al-Li合金具有很高的強度和良好的高溫和低溫性能，其室溫力學性能與一般高強度鋁合金相當，而高溫和低溫性能則優(yōu)于一般高強度鋁合金。新A1-Li合金有很好的超塑成型性能，例如Al-Li-Cu-Mg-Zr合金，在低速下的超塑延伸率可達1800%，添加Zr元素和形變熱處理能提高其超塑性能。Al-Li合金的強度、延伸率和斷裂韌性等力學性能，均隨溫度降低而顯著提高

12、（下表列出了Al-Li-Cu-Mg-Zr合金(T81型)在不同溫度下的機械性能），其提高幅度比通常低溫下使用的高強鋁合金高得多。結(jié)合它的密度，使Al-Li合金成為一種發(fā)展?jié)摿艽蟮牡蜏亟Y(jié)構(gòu)材料. 目前在美國、英國、法國和前蘇聯(lián)等國家己成功研制出Al-Li合金并將其用于實際生產(chǎn)中，已開發(fā)的Al-Li合金大致有三個系列：Al-Cu-Li系合金、Al-Mg-Li系合金和AI-Li-Cu-Mg-Zr系合金等溫度（K）b（MPa）v（MPa）（%）E（GPa）KIC（MPa*ml/2）3005655355.078.334777156007.086.957482061517.087.672AlLi合金20

13、90-T81在不同溫度下的機械性能2.1.2 Al-Li合金的強韌化機制 (1)強化機制 Al-Li合金的強化作用主要來源于析出相強化，固溶強化和細化晶粒強化。鋰在鋁中有較高的溶解度，并隨溫度而明顯變化，所以AI-Li合金有明顯的時效強化效應，屬于可熱處理強化型的鋁合金。Al-Li合金在時效過程中以彌散質(zhì)點形式析出的亞穩(wěn)球形相8，(A13Li)為有序超點陣結(jié)構(gòu)，與基體完全共格，對位錯運動具有強烈的阻礙作用，是合金中主要的強化相。(2)影響Al-Li合金塑性和韌性的因素 Al-Li二元合金塑性和韌性低，主要與以下因素有關(guān)： 1)前己述及強化相的析出雖有強化作用，但由于強化相的存在，將導致位錯在晶

14、界或夾雜物處塞積，產(chǎn)生應力集中，結(jié)果在品界或夾雜物處萌生裂紋，因此，8相對Al-Li合金的塑性和韌性極為不利。隨著鋰量增多，合金強度升高，塑性和韌性下降。 2)晶界附近常形成8，相無析出帶，特別是晶界處有粗大的平衡相8析出時，晶界8相無析出帶更明顯。無析出帶的強度比品內(nèi)強度低，當受到外力作用時，首先在無析出帶內(nèi)屈服，發(fā)生局部應力集中，產(chǎn)生嚴重應變，將導致裂紋萌生。這種裂紋在無析出帶內(nèi)擴展，產(chǎn)生沿晶斷裂。 3)晶界處存在著粗大的平衡相8析出物，常常是裂紋形核的場所，因此，導致合金低韌性。4)形變后的Al-Li合金，在一定溫度下會發(fā)生再結(jié)晶。一般認為發(fā)生完全再結(jié)晶后，合金的織構(gòu)、亞品界消失，出現(xiàn)粗

15、大的再結(jié)晶組織，對合金的塑性、韌性不利。 5)某些雜質(zhì)元素如鈉、鉀、硫等元素小溶于鋁，在晶界處偏聚，使晶界弱化而影響合金的塑性和韌性。 (3)合金化原理Al-Li二元合金的強度、韌性較低，實用意義不大。若加入多種合金元素，可對析出機制產(chǎn)生影響，改善晶界特性，使Al-Li合金的強韌性得到提高。AILi合金中常加入的合金元素有：銅、鎂、鋯等。21.3 AI-Li合金的熱處理Al-Li合金的熱處理有均勻化退火處理、固溶化處理、時效及形變熱處理等。合金在加熱時，為了防止合金的氧化，通常在保護性氣氛中加熱；采用分級時效，可改善合金的韌性，并消除其各向異性；將固溶處理后的合金進行預冷變形，然后再進行時效處

16、理，可使時效過程中析出的第二相粒子呈均勻、細小、彌散分布，并減少無沉淀帶寬度，從而可提高合金的強韌性。2.2復合材料復合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構(gòu)成各具特色的復合材料。2.2.1復合材料的構(gòu)成復合材料是指由兩種或兩種

17、以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。復合材料是由兩種或兩種以上材料獨立物理相，通過復合工藝組合構(gòu)成的新型材料。其中，連續(xù)相稱為基體、分散相稱為增強體，兩相彼此之間有明顯的界面。它既保留原組分材料的主要特點，并通過復合效應獲得原組分材料所不具備的性能。通過材料設(shè)計可以使各組分材料的性能互相補充、彼此聯(lián)系,從而獲得優(yōu)越性能。由于復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。2.2.2復合

18、材料的分類及特點先進復合材料是比通用復合材料有更高綜合性能的新型材料，它包括樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料和碳基復合材料等，它本身具備了較高的比強度、比剛度，抗疲勞、耐腐蝕、成形工藝性好及可設(shè)計性強等特點，現(xiàn)己成為飛機結(jié)構(gòu)中與鋁合金、鈦合金和鋼并駕齊驅(qū)的四大結(jié)構(gòu)材料之一。(1)纖維增強樹脂基復合材料 纖維增強樹脂基復合材料具有優(yōu)異的綜合性能，制備工藝容易實現(xiàn)，原料豐富。在航空工業(yè)中，樹脂基復合材料用于制造飛機機翼、機身、平尾、發(fā)動機外涵道，也可以用于發(fā)動機噴管的燒蝕防熱材料、飛機的主次承力結(jié)構(gòu)件和雷達天線罩。 A380機型選用纖維增強樹脂基復合材料示意(2)金屬基復合材料 鋁、

19、鎂、鈦是金屬基復合材料的主要基體。增強材料一般可分為纖維、顆粒和晶須三類。金屬基復合材料具有高的比強度、高的比剛度、良好的高溫性能、低的熱膨脹系數(shù)、好的尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)異的導電導熱性。碳化硅顆粒增強鋁基復合材料具有良好的高溫性能和抗磨損的特點，可用于精密航空電了器件；碳化硅纖維增強鈦基復合材料具有良好的耐高溫和抗氧化性能，是高推重比發(fā)動機的理想結(jié)構(gòu)材料，目前己進入先進發(fā)動機的試車階段。(3)陶瓷基復合材料瓷基復合材料是以纖維、晶須或顆粒為增強體，與陶瓷基體通過一定的復合工藝結(jié)合在一起組成的材料的總稱。其具有密度低、比強度高、熱機械性能和抗熱震沖擊性能好的特點，是未來軍事工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵支撐材料之一

20、。陶瓷基復合材料豐要用于制作飛機燃氣渦輪發(fā)動機噴嘴閥，它在提高發(fā)動機的推重比和降低燃料消耗方而具有重要的作用。(4)碳-碳復材料碳-碳復合材料是由碳纖維增強劑與碳基體組成的復合材料。碳-碳復合利料具有比強度高、抗熱震性好、耐燒蝕性強、性能可設(shè)計等一系列優(yōu)點。 隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展，飛機裝載質(zhì)量不斷增加，飛行著陸速度不斷提高，對飛機的緊急制動提出更高的要求。碳-碳復合材料質(zhì)量輕、耐高溫、吸收能量大、摩擦性能好，用它制作剎車片廣泛用于高速軍用飛機中。2.2.3復合材料的缺點復合材料缺陷、損傷復合材料缺陷與損傷包括制造缺陷、使用損傷和環(huán)境損傷。制造缺陷通常有兩類一類是復合材料預浸和成型過程中產(chǎn)生的

21、缺陷另一類是機械加工組裝過程中產(chǎn)生的缺陷。典型制造缺陷有：空隙富膠貧膠外來夾雜不正確的纖維取向和鋪層順序劃傷有缺陷孔和過緊連接等。損傷容限問題中主要研究孔沖擊損傷分層3種損傷形式。這3種損傷形式，沖擊損傷形式與沖擊能量水平密切相關(guān)。高能量沖擊，如彈丸沖擊，可以對層合板造成穿透孔損傷，并帶有一些邊緣附近的局部分層。中等能量沖擊，雖然不產(chǎn)生穿透損傷，但在沖擊范圍內(nèi)造成層合板局部損傷和內(nèi)部分層，以及背面纖維的斷裂。低能量沖擊在層合板表面產(chǎn)生難以目視檢查的損傷（BVID），并在層合板內(nèi)部形成圓錐形的分層區(qū)。不同沖擊能量水平造成的層合板沖擊損傷破壞形式（a）高能量沖擊損作 （b）中等能量沖擊損傷 （c）

22、低能量沖擊損傷 沖擊事件造成的層合板性能突變示圖復合材料的疲勞各向同性金屬材料在疲勞載荷作用下，可以觀察到明顯的單一主裂紋有規(guī)律的擴展。而各向異性復合材料，大量試驗結(jié)果表明，疲勞載荷作用下，表現(xiàn)出非常復雜的破壞機理。復合材料本身存在有基體開裂、分層、界面脫膠和纖維斷裂等多種損傷形式。同時，復合材料對應變，特別是壓縮應變，尤為敏感。較大的施加應變將纖維與基體變形不一致，引起機體開裂、界面脫膠乃至分層。溫度和濕度是影響聚合物基復合材料力學性能的主要環(huán)境因素，不僅使材料固有性能（模量和強度）惡化下降，而且吸濕會降低聚合物基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。第三章新型航空材料的實際應用3.1 Al-Li合金的應用A

23、l-Li合金已經(jīng)在軍用飛機、民用客機和直升飛機上使用或試用，主要用于機身框架、襟翼翼肋，垂直安定面、整流罩、進氣道唇口、艙門、燃油箱等等。 早在20世紀50年代，美國就開發(fā)了x2020鋁鋰合金后來用來取代7075用于RA-SC預警機。美國一公司將C-155鋁鋰合金用于波音777和空中客車A330/340飛機的垂尾和平尾，該合金比普通鋁合金有更好的抗疲勞性能和高的強度。其中A330/340飛機每架使用Al-Li合金650kg，可使飛機減重達4250kg，可以提高有效載荷及降低燃料消耗。 鋁鋰合金的應用還存在一些問題。首先是價格，由于金屬鋰比較貴，熔鑄工藝復雜和廢料回收未解決，目前Al-Li材的價

24、格為常用鋁材的2-4倍；其次是產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)規(guī)模。Al-Li合金的擠壓件和薄板性能已能滿足標準，而鍛件和厚板的短橫向斷裂韌性、抗應力腐蝕斷裂還不理想等。因此，世界各大民航機制造商暫時只在難關(guān)鍵部位使用鋁鋰合金，對軍用飛機而言，高價格和已有的質(zhì)量狀況都不妨礙該合金的應用。3.2 復合材料在航空發(fā)動機上的應用 樹脂基復合材料在發(fā)動機的外涵機匣、靜子葉片、轉(zhuǎn)子葉片、包容機匣以及發(fā)動機短艙、反推力裝置等部件上得到大量應用；金屬基復合材料具有優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料的比強度、比剛度、耐高溫和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在不久的將來將取代鎳、鈦合金，成為未來航空發(fā)動機的主要材料；金屬間化合物具有密度低、剛度高、高溫強度好和防火能

25、力強等特點3.3 復合材料在機翼上的應用 機翼采用復合材料結(jié)構(gòu)是提高飛機結(jié)構(gòu)效率，改善飛機氣動彈性、飛行品質(zhì)、控制特性的重要技術(shù)途徑之一。美歐各國20世紀70年代中期以后研制的新型高性能戰(zhàn)斗機均采用了復合材料機翼結(jié)構(gòu)前掠翼飛機的的試飛成功和飛翼隱身轟炸機的服役也充分說明了復合材料機翼的獨特效能。復合材料機翼結(jié)構(gòu)與金屬機翼金屬結(jié)構(gòu)相比，主要特點如下；（1）多墻（梁）結(jié)構(gòu)傳力布局先進戰(zhàn)斗機的高機動性要求，帶來載荷指數(shù)增大，蒙皮厚度增加的新特點，采用中厚度蒙皮多墻結(jié)構(gòu)的傳力布局較之梁多助加筋板結(jié)構(gòu)具有高的結(jié)構(gòu)效率。同時，對復合材料機翼可緩解損傷的影響，而且更適合于氣動彈性剪裁設(shè)計，也有利于主要接頭連

26、接設(shè)計。因此，目前復合材料機翼結(jié)構(gòu)的傳力路線布局主要采用多墻結(jié)構(gòu)布局。（2）機翼蒙皮壁板可進行氣動彈性剪裁設(shè)計翼面氣動彈性剪裁設(shè)計時復合材料機翼獨特的設(shè)計技術(shù)，現(xiàn)已實現(xiàn)工程化應用。美國X-29前掠翼先進技術(shù)驗證機（1984.8）和俄羅斯S-37“金雕”前掠翼戰(zhàn)斗機（1997.9）的機翼就是按復合材料氣動彈性剪裁設(shè)計制造的。這項技術(shù)在其他復合材料機翼蒙皮設(shè)計中都不同程度地得到應用。（3）設(shè)計/制造一體化、共固化整體成型纖維增強樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)建成形與材料形成同時完成的工藝特點，要求復合材料更加強調(diào)設(shè)計/制造一體化，共固化整體成形。對復合材料機翼大型 部件更強調(diào)這一點。復合材料機翼結(jié)構(gòu)采用緊固件

27、連接裝配工藝與采用共固化成形工藝對比下表所示。 復合材料機翼結(jié)構(gòu)緊固件連接裝配與共固化成形比較工藝方法復合材料制造時間%裝配時間（%）勞動量（%）總成本（%）緊固件連接裝配共固化成形節(jié)約10063.836.2100495110065.434.61007921 復合材料機翼翼盒，下翼面蒙皮與輔梁（墻或長桁）共固化成形、上翼面蒙皮單獨固化成形，兩者采用機械連接便于維護檢查。例如：日本FS-X機翼翼盒，EF2000機翼翼盒等采用了這種結(jié)構(gòu)形式。共固化成形下半個翼盒有利于隱身和對燃油箱密封。（4）主接頭一般為復合材料蒙皮壁板與鈦合金翼梁接頭機械緊固件連接機翼主要接頭高應力區(qū)內(nèi)復合材料蒙皮壁板和鈦合金翼

28、梁接頭兩種不同性質(zhì)材料機械緊固件連接，出現(xiàn)不同許用應變，不同破壞機理材料多釘連接設(shè)計、不同性質(zhì)材料制孔等難題。對戰(zhàn)斗機，復合材料機翼蒙皮壁板、翼梁、肋等零構(gòu)件采用機械固件連接，大約需要加工5000個或數(shù)量更多的孔。（5）復合材料整體油箱需要特殊的密封、防靜電、防雷擊措施和耐燃油以及油箱可修復性要求（6）一定程度上可實現(xiàn)隱身要求。大型客機復合材料機翼 大型客機復合材料機翼是在復合材料尾翼安定面設(shè)計和使用經(jīng)驗基礎(chǔ)上研發(fā)的，借鑒了波音737水平安定面NASA航線飛行使用評估、空中客車A320垂直尾翼，特別是波音777水平安定面的設(shè)計使用經(jīng)驗。復合材料機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計重點考慮了機翼和機身連接、發(fā)動機懸掛固

29、定接頭、油箱和電接地、上蒙皮壁板的沖擊損傷容限等問題、以及低成本成形工藝技術(shù)的適用性、帶加強筋桁條大型翼面壁板固化成形技術(shù)、檢測和修理技術(shù)等。A380機翼與機身連接的中央翼盒采用了大型復合材料壁板組裝的盒形件結(jié)構(gòu)。機翼外翼蒙皮和翼肋采用復合材料結(jié)構(gòu)、內(nèi)翼采用金屬蒙皮從而避免了根部復合材料翼面受外來物沖擊引起的損傷容限難題。大型復合材料中央翼盒成為A380復合材料應用的典范。A380機身中央翼盒3.4 復合材料在機身上的應用多次乘過飛機的人都有這樣的體會當?shù)巧巷w機時，會立即感到客艙內(nèi)的環(huán)境令人不適，特別是在飛行過程中客艙內(nèi)干燥的空氣加上含氧量偏低容易讓人頭疼、頭暈使人疲勞。這是由于當前的商用客機

30、客艙內(nèi)的氣壓相當于海拔8 000inch(約2 438 m)高度的大氣壓強。飛機只能增壓到這種高度的壓強是因為客機的機身是由鋁合金壁板通過幾十萬到上百萬個鉚釘?shù)染o固件連接組裝而成它在一定壓強作用下，氣密性較差，金屬機身耐疲勞性能也較差。大型客機一般要飛行6萬個起落每個起落都足一次疲勞過程。當機身內(nèi)壁氣壓升高時，就是一次疲勞過程，它會增加飛機部件損耗加速金屬老化導致飛機維護成本升高這是航空公司不愿看到的另一方面，由于金屬機身在一定濕度下易受腐蝕所以航空公司把客艙內(nèi)空氣濕度保持在極低水平，約4%左右。這就是人們乘坐飛機旅行不舒適的主要原因。波音787機身段（47段）機身復合材料應用爭議復合材料有很

31、多眾所周知的優(yōu)點，大西洋兩岸的歐、美飛機制造公司，對在機翼上采用復合材料似乎沒有爭議。但出于競爭等多種原因，空客公司提出4點理由來批評波音公司：其一認為波音采用2倍于空客A380上復合材料用量的做法在技術(shù)上是冒進的，過多采用復合材料結(jié)構(gòu)是一種不明智的選擇，有的甚至說這是一種不負責任的做法；其二復合材料技術(shù)現(xiàn)在還不成熟，現(xiàn)有的復合材料對于機體的許多部位不適用，這是由于復合材料結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢僅在拉伸和疲勞強度方面，它的耐壓性能尚不明朗；其三，在引進新材料和新工藝的過程中應采取循序漸進的方式，波音公司省略了在使用復合材料方面的數(shù)小步，企圖跨出一大步這樣會有風險；其四，碳纖維增強復合材料確實具有重量輕

32、的優(yōu)越性.波音超大型復合材料部件的制造技術(shù)在這場大西洋兩岸的激烈爭論中，波音和空客的用戶-國際上的主要航空公司很明顯地傾向波音787飛機的方案。這是因為，他們知道波音787的方案雖然跨度大了一些，有一定的風險，但是波音具有長期在軍機上應用復合材料的經(jīng)驗加上波音787方案也是建立在科學研究基礎(chǔ)上的。波音充分利用以美國NASA為首的有關(guān)飛機復合材料部件研究的兩個十年計劃項目的成果即飛機能源效率項目(AirCraft Energy Efficiency ACEE)(1975-1986年）和先進復材技術(shù)項目(Ad-vanced Composites Technology.ACT) (1985-1997

33、年)。在這兩個十年計劃中NASA已經(jīng)對飛機復合材料整體部件進行深入的研究和驗證。波音公司在此基礎(chǔ)上進一步針對波音 787客機由復合材料制成的機身段做了大量的實際研究和試驗工作。公司首先成立了波音787客機復合材料機身段的研究團隊(The 787 Fuselage Team)，負責建造與實際飛機一樣大小的完整復合材料機身段進行完整的試驗和驗證其制造過程是先把復合材料長桁固定在成形模具上，并涂上膠，再由專用的復合材料纖維鋪放機鋪放出機身外形然后送入熱壓罐固化成形(如下圖所示)。波音787飛機復合材料機身段制造過程 波音787客機的所有機身段都是由復合材料長桁和復合材料蒙皮膠接裝配并固化成一個“零件”隨后加工出登機門和窗戶的外形（如下圖a所示）；然后利用3臺激光跟蹤儀檢驗其外形是否符合設(shè)計要求（如下圖b所示）。波音787復合材料機身段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可從下圖中清晰地看到，其機身段是由復合材料長桁和復合材料蒙皮膠接。（a） (b)波音787飛機復合材料機身段及其檢驗空客公司復合材料應用技術(shù)基礎(chǔ) 由于復合材料具有比強度和比模量高抗疲勞性能、耐腐蝕性能和整體成形性好等許多優(yōu)異特性，將其用于飛機結(jié)構(gòu)上，可比常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)減重25 %30%而且使飛機隱身氣動彈性等綜合性能得到改善和提高. 空客A380的glare和鋁合金壁板應用分布情況從空客A380機體復合材料的使用情況可知空客對復合材料的研究