【专业讲堂】航空航天工业中的复合材料

在航空航天工业中，一个日益重要的创新是使用了复合材料，因为复合材料的使用可以使设计者能够克服使用金属造成的障碍。复合材料在减轻重量方面发挥了重要作用，因此它们可用于滑翔机、热气球吊舱、战斗机、航天飞机和客机等几乎所有航天器和飞机的结构部件。

复合材料主要由碳纤维增强塑料组成。它们可以加工成不同的形状来提高强度，并可以在不同方向上实现纤维分层，进而使设计师能够设计并加工具有独特性能的结构。下一代轻质耐高温复合材料的开发将有助于设计高性能、更经济的飞机。

航空航天用复合材料简史

最早在20世纪50年代，玻璃纤维增强树脂基复合材料作为最常见的复合材料，便通过设计加工在波音707客机中应用而崭露头角。上世纪60年代，罗尔斯·罗伊斯（Rolls Royce）研制的RB211喷气发动机的压气机叶片是由碳纤维复合材料制成的，具有优异的耐疲劳性能。

纤维复合材料最初在20世纪60年代少量用于军用飞机，从70年代开始用于民用航空。自20世纪80年代以来，复合材料主要用于辅助机翼和尾翼部件，如机翼后缘板和舵。

波音公司开发的每一代新飞机都增加了碳纤维复合材料的应用比例，最高的是波音787梦幻客机的50%。波音787梦幻客机的主要结构元素是由更多的碳纤维“夹层结构”复合材料和先进的碳纤维层压板组成，这与早期的玻璃纤维复合材料有着显著的差异。另一方面，芳纶纤维也会广泛用于建造前缘和后缘机翼部件，以及非常坚硬、非常轻的舱壁、油箱和地板等。

复合材料在航空航天中的应用优势

在航空航天领域，使用复合材料的主要优点体现在：

• 体重减轻20%-50%；

• 单壳模压结构在较低的重量下提供较高的强度；

• 高抗冲击性，如芳纶装甲防护飞机减少了对发动机挂架（承载燃料管线和发动机控制装置）的意外损坏；

• 高热稳定性；

• 抗疲劳/耐腐蚀；

• 由复合材料制成的结构件易于组装。

复合材料飞机与环境

在使用航空航天复合材料时，从退役飞机中回收使用过的零件是另一选择。波音公司特别致力于通过飞机用复合材料的回收利用来改善飞机的环保性能。

复合材料的回收利用主要分为两个步骤，包括在飞机退役期间将复合材料与其他飞机材料分离，并回收高质量纤维，进一步重新作为航空航天材料来源而再利用。虽然飞机结构的回收是一个复杂而昂贵的过程，但相比于购买昂贵的一手零件，可能会节省资金。

复合材料在航空航天中的应用前景

随着燃料成本的增加，商业航空制造商面临着提高飞机性能的压力，而降低飞机重量是提高飞机性能的关键因素。随着复合材料制造技术的进步，未来的飞机很有可能大量采用复合材料制造。

然而，在复合材料完全取代铝和其他金属合金之前，仍有一些障碍需要克服，特别是对于大型飞机而言，复合材料价格昂贵，需要大量劳动力和复杂且昂贵的制造机器。

但是复合材料技术不断进步，玄武岩纤维等新型复合材料增强体的出现将进一步加速复合材料的应用。

参考文献

1、Composite Materials for Aerospace Structures

2、Composite materials- Revolutionise aerospace engineering

3、Aircraft & Composite Recycling