航空復合材料學科發(fā)展研究

蔚鳳生

摘 要：航空復合材料具有高強度、高比剛度、疲勞性能好、可設計性強等優(yōu)點，在飛機等航空裝備中得到了十分廣泛的應用。隨著科學技術的發(fā)展，航空復合材料制造技術逐步朝著整體化、自動化、低成本化的方向發(fā)展，復合材料用量也逐漸成為衡量客機先進性和市場競爭力的重要指標，因此，促進航空復合材料學科的發(fā)展具有十分重要的意義。

關鍵詞：航空復合材料；設計制造；發(fā)展趨勢

航空復合材料問世于20世紀60年代，并逐步得到廣泛的使用。航天科技的不斷發(fā)展促使飛行器不斷朝著高空化、高速化、智能化以及低成本化的方向發(fā)展，作為航空航天四大材料之一的航空復合材料，其制造技術以及材料性能也在不斷發(fā)展與突破。我國對航空復合材料進行研究的時間比較晚，在復合材料的設計與制造方面存在不足，生產出的復合材料產品種類較少，綜合性能不佳，因此，還需要付出巨大的努力才能提升設計與制造水平。

1 材料學科的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 高性能航空復合材料體系

高性能航空復合材料的重量比較輕，強度比較高，剛性較大，還耐磨損，便于設計，非常符合航空飛行器的質量要求，所以在如今的飛行器市場上得到了廣泛的應用。高性能航空復合材料體系在物理特性上的各項異性以及聲衰減劇烈等使得它在質量上和其他的金屬材料表現(xiàn)出明顯的不同，對高性能航空復合材料體系進行內部的質量控制也已經變成當下的熱點問題。

1.2 大型航空復合材料構件檢測技術

大型航空復合材料構件制造完成后，要進行無損檢測（英文簡稱為NDT），這是利用非破壞性的方法，通過聲、光、電、熱、磁和射線等原理來檢測復合材料構件的內部結構，杜絕裂紋、斷裂、空隙、分層等可能造成航空飛行器出現(xiàn)故障的缺陷?，F(xiàn)階段，大型航空復合材料的構件檢測技術主要有微波結構檢測等。微波結構檢測是利用高頻的電磁波來進行的，微波的波長比較短，一般在1到1000毫米之間；頻率比較高，一般在300兆赫茲到300吉赫茲；頻帶還比較寬。因此，微波在航空復合材料的構件檢測過程中具有很強的穿透力，而且衰減較小，能夠彌補其他檢測手段的缺陷。例如超聲波在航空復合材料中衰減劇烈，很難檢測到構件內比較深的部位，而射線檢測對于復合材料的表面控制靈敏度較小。微波檢測方法能夠有效檢測到航空復合材料構件中出現(xiàn)孔洞、疏松、基體開裂、分層和脫粘等缺陷。

1.3 航空復合材料結構的設計與應用

為了增強航空復合材料結構的性能，日本、德國等發(fā)達國家現(xiàn)已經為研發(fā)各種先進的成像設計方式、信號處理方式和分析計算設計的方式投入了大量的人力和財力。我國的相關研究部門也已經在航空復合材料結構的設計和應用上得到了一定的進展。比如北京航空制造工程研究所通過采用超聲波自動化設計方法，為經典的航空復合材料構件的內部結構進行了設計，利用圖像直接展示航空復合材料構件內部的位置以及整體構件的內部質量狀況，從而獲得復合材料結構的定量分布狀況，進而對結構進行量化設計。目前航空復合材料結構已經被廣泛應用于航天科技，并不斷使飛行器朝著高空化、高速化、智能化以及低成本化的方向發(fā)展。我國對航空復合材料進行研究的時間比較晚，在復合材料的設計與應用方面存在不足，所以，還需要付出巨大的努力才能提升設計與應用水平。

2 國內外航空復合材料學科的發(fā)展對比

我國的航空復合材料學科發(fā)展與世界發(fā)達國家相比還是存在一定的差距。比如我國的楊氏模量、中模纖維以及高模纖維等大絲束產品。楊氏模量超過350吉帕。大絲束產品是航空復合材料產品多元化的一個重要方面，主要目的是加快纖維鋪放速率，從而提高復合材料生產效率，降低制造成本。這方面的研究內容主要是制取廉價原絲技術包括大絲束化、化學改性、用其他纖維材料取代聚丙烯腈纖維、等離子預氧化技術、微波碳化和石墨化技術等。而美國等發(fā)達國家的碳纖維按用途大致可分24K以下的宇航級小絲束碳纖維和48K以上的工業(yè)級大絲束碳纖維。目前小絲束碳纖維基本為日本、東邦與三菱人造絲所壟斷。而大絲束碳纖維主要生產國是美國、德國與日本，產量大約是小絲束碳纖維的33%左右，最大支數發(fā)展到480K。綜上所述，我國還是需要投入更大的精力來不斷提升自己的科技水平，進而發(fā)展我國的航空復合材料學科，爭取早日達到世界先進水平。

3 航空復合材料學科的發(fā)展與對策

現(xiàn)階段，我國的自動化的航空復合材料結構制造比人工方法能夠給予更高的重復性和結果的可靠性，可以降低隨機誤差和人為誤差的幾率，減小對于學科人員的技術熟練要求，還可以做到全面復雜的結構制造程度，及時對收集到的數據進行分析處理，進而在很大程度上提高復合材料的質量。比如哈佛大學研究出的BVT復合材料是擁有更高的可靠性和更好的適應性的自動化航空復合材料，能夠在航空復合材料構件的數據圖上清晰的顯示出材料數據，而且操作人員還能夠在構建結構終端分析這些數據的細節(jié)，進而提高航空復合材料的質量。英國的艾爾布申大學已經研究出把134通道的微波自動化航空復合材料制造技術應用在航空復合材料構件的快速制造方面，很大程度上提升了速度和質量。深圳航空大學還成功研發(fā)了用來進行專項制造航空復合材料構件微波自動化制造系統(tǒng)，比如應用在平面復合材料構件中的微波自動化制造系統(tǒng)，通過微波反射方法，一小時能夠制造的面積為15平方米，信噪比很高，能夠達到航空復合材料構件的A、C、T質量要求；應用在非平面航空復合材料構件中的微波自動化制造系統(tǒng)，通過微波穿透反射方法，一小時能夠制造的面積為40平方米，同時制造的效率很高，可以達到航空復合材料構件的B、C、T質量要求。不管應用什么航空復合材料制造的技術，每種技術都有其優(yōu)勢，但是，與此同時也有其劣勢，不管什么技術都不可能十全十美。為了更精確地保證航空復合材料構件的內部質量和性能，我們必須不斷提高航空復合材料學科的水平。

4 結束語

隨著復合材料在航空飛行器構件上的應用不斷增加，能夠適應這種復合材料的制造技術也越來越先進，并且其應用越來越廣泛。同時，航空復合材料的制造技術水平和材料的質量也在不斷提高。我國目前的航空復合材料學科水平還是處于比較低的狀態(tài)，針對復合材料的設計與制造等各方面的缺陷，我們必須付出更大的精力來發(fā)展和研究。

參考文獻

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