航空复合材料学科发展研究

摘 要：航空复合材料具有高强度、高比刚度、疲劳性能好、可设计性强等优点，在飞机等航空装备中得到了十分广泛的应用。随着科学技术的发展，航空复合材料制造技术逐步朝着整体化、自动化、低成本化的方向发展，复合材料用量也逐渐成为衡量客机先进性和市场竞争力的重要指标，因此，促进航空复合材料学科的发展具有十分重要的意义。

关键词：航空复合材料；设计制造；发展趋势

航空复合材料问世于20世纪60年代，并逐步得到广泛的使用。航天科技的不断发展促使飞行器不断朝着高空化、高速化、智能化以及低成本化的方向发展，作为航空航天四大材料之一的航空复合材料，其制造技术以及材料性能也在不断发展与突破。我国对航空复合材料进行研究的时间比较晚，在复合材料的设计与制造方面存在不足，生产出的复合材料产品种类较少，综合性能不佳，因此，还需要付出巨大的努力才能提升设计与制造水平。

1 材料学科的发展现状

1.1 高性能航空复合材料体系

高性能航空复合材料的重量比较轻，强度比较高，刚性较大，还耐磨损，便于设计，非常符合航空飞行器的质量要求，所以在如今的飞行器市场上得到了广泛的应用。高性能航空复合材料体系在物理特性上的各项异性以及声衰减剧烈等使得它在质量上和其他的金属材料表现出明显的不同，对高性能航空复合材料体系进行内部的质量控制也已经变成当下的热点问题。

大型航空复合材料构件制造完成后，要进行无损检测（英文简称为NDT），这是利用非破坏性的方法，通过声、光、电、热、磁和射线等原理来检测复合材料构件的内部结构，杜绝裂纹、断裂、空隙、分层等可能造成航空飞行器出现故障的缺陷。现阶段，大型航空复合材料的构件检测技术主要有微波结构检测等。微波结构检测是利用高频的电磁波来进行的，微波的波长比较短，一般在1到1000毫米之间；频率比较高，一般在300兆赫兹到300吉赫兹；频带还比较宽。因此，微波在航空复合材料的构件检测过程中具有很强的穿透力，而且衰减较小，能够弥补其他检测手段的缺陷。例如超声波在航空复合材料中衰减剧烈，很难检测到构件内比较深的部位，而射线检测对于复合材料的表面控制灵敏度较小。微波检测方法能够有效检测到航空复合材料构件中出现孔洞、疏松、基体开裂、分层和脱粘等缺陷。

1.3 航空复合材料结构的设计与应用

为了增强航空复合材料结构的性能，日本、德国等发达国家现已经为研发各种先进的成像设计方式、信号处理方式和分析计算设计的方式投入了大量的人力和财力。我国的相关研究部门也已经在航空复合材料结构的设计和应用上得到了一定的进展。比如北京航空制造工程研究所通过采用超声波自动化设计方法，为经典的航空复合材料构件的内部结构进行了设计，利用图像直接展示航空复合材料构件内部的位置以及整体构件的内部质量状况，从而获得复合材料结构的定量分布状况，进而对结构进行量化设计。目前航空复合材料结构已经被广泛应用于航天科技，并不断使飞行器朝着高空化、高速化、智能化以及低成本化的方向发展。我国对航空复合材料进行研究的时间比较晚，在复合材料的设计与应用方面存在不足，所以，还需要付出巨大的努力才能提升设计与应用水平。

2 国内外航空复合材料学科的发展对比

我国的航空复合材料学科发展与世界发达国家相比还是存在一定的差距。比如我国的杨氏模量、中模纤维以及高模纤维等大丝束产品。杨氏模量超过350吉帕。大丝束产品是航空复合材料产品多元化的一个重要方面，主要目的是加快纤维铺放速率，从而提高复合材料生产效率，降低制造成本。这方面的研究内容主要是制取廉价原丝技术包括大丝束化、化学改性、用其他纤维材料取代聚丙烯腈纤维、等离子预氧化技术、微波碳化和石墨化技术等。而美国等发达国家的碳纤维按用途大致可分24K以下的宇航级小丝束碳纤维和48K以上的工业级大丝束碳纤维。目前小丝束碳纤维基本为日本、东邦与三菱人造丝所垄断。而大丝束碳纤维主要生产国是美国、德国与日本，产量大约是小丝束碳纤维的33%左右，最大支数发展到480K。综上所述，我国还是需要投入更大的精力来不断提升自己的科技水平，进而发展我国的航空复合材料学科，争取早日达到世界先进水平。

3 航空复合材料学科的发展与对策

现阶段，我国的自动化的航空复合材料结构制造比人工方法能够给予更高的重复性和结果的可靠性，可以降低随机误差和人为误差的几率，减小对于学科人员的技术熟练要求，还可以做到全面复杂的结构制造程度，及时对收集到的数据进行分析处理，进而在很大程度上提高复合材料的质量。比如哈佛大学研究出的BVT复合材料是拥有更高的可靠性和更好的适应性的自动化航空复合材料，能够在航空复合材料构件的数据图上清晰的显示出材料数据，而且操作人员还能够在构建结构终端分析这些数据的细节，进而提高航空复合材料的质量。英国的艾尔布申大学已经研究出把134通道的微波自动化航空复合材料制造技术应用在航空复合材料构件的快速制造方面，很大程度上提升了速度和质量。深圳航空大学还成功研发了用来进行专项制造航空复合材料构件微波自动化制造系统，比如应用在平面复合材料构件中的微波自动化制造系统，通过微波反射方法，一小时能够制造的面积为15平方米，信噪比很高，能够达到航空复合材料构件的A、C、T质量要求；应用在非平面航空复合材料构件中的微波自动化制造系统，通过微波穿透反射方法，一小时能够制造的面积为40平方米，同时制造的效率很高，可以达到航空复合材料构件的B、C、T质量要求。不管应用什么航空复合材料制造的技术，每种技术都有其优势，但是，与此同时也有其劣势，不管什么技术都不可能十全十美。为了更精确地保证航空复合材料构件的内部质量和性能，我们必须不断提高航空复合材料学科的水平。

4 结束语

随着复合材料在航空飞行器构件上的应用不断增加，能够适应这种复合材料的制造技术也越来越先进，并且其应用越来越广泛。同时，航空复合材料的制造技术水平和材料的质量也在不断提高。我国目前的航空复合材料学科水平还是处于比较低的状态，针对复合材料的设计与制造等各方面的缺陷，我们必须付出更大的精力来发展和研究。

参考文献

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[3]庞孝吾，孙丽转.浅谈航空复合材料发展中的几大难题[J].科技与企业，2012（13）.