金屬復(fù)合材料在制造業(yè)的應(yīng)用

（遼陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 遼陽 111004）

20世紀40年代初,復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于民航方面。得益于GFRP良好的透波性,英國成為世界上最早利用GFRP制造機載雷達罩的國家。美國花了很長的時間致力于新材料—GFRP的研發(fā),美國第一架大部分零部為件GFRP的全塑飛機于1967年成功地飛上了藍天。當(dāng)時的載客量為四人。借助新材料的優(yōu)勢這架飛機的自重減輕超過了450kg,使飛機的速度與承載能力得到了很大的提高。進入新紀元,民用飛機制造商將復(fù)合材料在飛機制造上的使用比例作為行業(yè)標(biāo)準。因為復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)新飛機機體減重進而降低直接運營成本。使之在殘酷的市場競爭中立于不敗之地。西方資本主義國家借助其先進的技術(shù)水平和研發(fā)能力將復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于大型民用客機上。當(dāng)然法國、意大利一起研發(fā)的ATR-72這個名字的飛機上，利用的材料中的復(fù)合材料就占了百分之二十以上。遙想到歐洲這個強大的科技大國聯(lián)合中，它們的空中客車如果從現(xiàn)在往回推算的話已經(jīng)有30年以上了。在這個系列當(dāng)中，所選擇的材料當(dāng)中復(fù)合材料的比重是逐漸增加，從開始的百分之三變成了現(xiàn)在的百

分之二十，除了以上的質(zhì)的飛躍，現(xiàn)在最高端的還要屬A380，在它身上復(fù)合材料被利用的更多已經(jīng)達到了百分之二十二，質(zhì)量上以單機為例也是29937kg。大家可以看到，空中客車也就是飛入藍天的飛機上，制造它們所采用的材料中復(fù)合材料所占據(jù)的比重是一年比一年要大，這一現(xiàn)象就能體現(xiàn)出來我們未來的、在天空翱翔的客機是如何發(fā)展的，它們的發(fā)展朝向是什么樣的。進行到這里，我們以美國公司，即波音公司為例繼續(xù)探討一下，大家都知道美國在科技發(fā)展方面可以說是龍頭老大，它們公司所生產(chǎn)的飛機，其中復(fù)合材料的用量是1429kg，它的名字叫B757,可是現(xiàn)在生產(chǎn)的飛機名字是B777居然在復(fù)合材料的用量質(zhì)量是9900kg，再進一步發(fā)展到現(xiàn)在，大家可以驚喜的知道最新的飛機是B7E7，復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用的更加多了，幾乎已經(jīng)達到整體的一半了，這簡直在民機研發(fā)史上可以說是里程碑式的飛躍?；旧纤刑貏e主要的支架等部分都用到了復(fù)合材料。我們從調(diào)研中，當(dāng)然是國外市場的，可以看到雖然我們復(fù)合材料在各個方面的應(yīng)用上并不是盡善盡美，還有很多不足的地方，但是對于客機這一部分復(fù)合材料的這種大規(guī)模的使用上還是呈良性的增長的，也算在復(fù)合材料中增長的最快也是最大的一項應(yīng)用了。在以后的高空中、飛快的速度下、逐漸使用的信息系統(tǒng)中、將來我們肯定會將復(fù)合材料直接應(yīng)用到軍事方面，甚至完成無人機的愿望，還有導(dǎo)彈而且是超高聲速的，越來越多的應(yīng)用等待著復(fù)合材料。“一代材料，一代飛機”，隨著科技和制造業(yè)的不斷進步，新材料的發(fā)展也飛速提升。不斷創(chuàng)新的新材料制造技術(shù)大大改善了飛機的性能。復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用改善了民用飛機的經(jīng)濟性、舒適性、環(huán)保性，克服了民機受使用條件和自然環(huán)境的障礙，提高了民機制造業(yè)的整體水平。

1 提高了民用飛機的經(jīng)濟性

舉個例子，通過使用復(fù)合材料波音B787整體機身省去了所有縱向蒙皮拼接件，大大減少了鋁合金板的使用同時也減少了4萬～5萬個連接件，雖然復(fù)合材料的成本大大高于鋁合金，但從長遠的角度考慮使用復(fù)合材料還是經(jīng)濟合算的，因為使用這種復(fù)合材料它的好處之一就有質(zhì)量輕、省油最重要的還是省錢也就是維修的成本越來越低了。飛機的購買價格、油耗、維修成本等都是民用飛機的主要成本。波音B787的場外維修間隔時間從波音767的500h提高到1000h，維修費用比波音B777降低了32%，都大大降低了飛機成本。

2 提高了民用飛機的舒適性

復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗疲勞特性，借助這一特性波音B787飛機克服了大型民用飛機舷窗最易產(chǎn)生疲勞損傷的弊端設(shè)計了大尺寸舷窗，使旅客可以擁有更大的視野。通過技術(shù)升級，波音B787的舷窗尺寸增加到280mm×480mm，比空客A330/A340的窗口面積增大了78%。波音B787通過使用復(fù)合材料在機身只增加70kg的情況下，使客艙的氣壓達到1800m高度處的壓力。優(yōu)于大部分飛機艙內(nèi)氣壓相當(dāng)于2400m處的壓力。而我們單獨看飛機的機身，用鋁合金進行制作的話，如果也想跟之前的指標(biāo)一樣，也不是無法達到，只是有一個增重的弊端，它的質(zhì)量將會增加一噸。還有的好處就是復(fù)合材料的性能之一就是比較耐腐蝕，這個特性就能讓波音B787飛機當(dāng)中的座位艙室內(nèi)部有很好的濕潤感，從而提高它的濕度，那么相比之下這個濕度要遠遠高于目前現(xiàn)有的飛機也就是由鋁合金制造而成的。既然有了這個特點就能增加旅客的舒適性，不會因為干燥而產(chǎn)生脫水的現(xiàn)象。

除了以上的優(yōu)勢以外呢，這種飛機的整體成型上，如果使用復(fù)合材料的話它的機身需要的緊固件就更少了，不像鋁合金機身使用那么多的鉚釘去連接，反而質(zhì)量并不理想，重量也更大。這樣以后它的光潔度肯定要更好了，因為連接處更少了，同時噪音也更低了，我們作為旅客的話就可以更好地享受旅途過程，這些都要歸功于復(fù)合材料的應(yīng)用。

3 提高了民用飛機的環(huán)保性

輕便的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件能夠提高飛機的飛行效率，降低油耗?，F(xiàn)在燃油的價位是越來越高，不僅如此國家對這個燃油的污染排放量級標(biāo)準也是出臺各種各樣的新政策進行制約，種種跡象都可以看出復(fù)合材料在節(jié)能減排這一領(lǐng)域可以說是還未遇到敵手，重復(fù)體現(xiàn)它的優(yōu)勢。波音B787與同類飛機相比可以節(jié)省20%的燃油，這當(dāng)中的8%是依靠應(yīng)用復(fù)合材料而實現(xiàn)的?，F(xiàn)在全球氣候逐漸變暖，在這個大環(huán)境中，波音787的優(yōu)勢被放的越來越大，也越來越受到青睞?？罩锌蛙嘇380與A350的特點：近代民機制造史上空客A380最先大量使用復(fù)合材料，其中主要部位中央翼盒、機翼前緣、翼肋、機翼后緣操縱面、機身上蒙皮壁板、客艙地板梁、后壓力框、機身尾段、尾翼、機身機翼整流罩和起落架艙門等采用了復(fù)合材料。復(fù)合材料的用量達到30t，占總質(zhì)量的25wt%。我們首先看A389的中央翼，它的質(zhì)量就有8.8t，看著是蠻大的，可是相比之下這要比鋁合金材料制造的質(zhì)量要少很多將近1.5t，那為什么會出現(xiàn)這一差距呢，這就要歸功于碳纖維復(fù)合材料。

4 結(jié)語

除了以上減重這個優(yōu)點以外我們再來研究一下其他方面，這次看看A380的機翼前方所用的材料是什么，它也有很多的優(yōu)點，比如質(zhì)量輕，這是顯而易見的，還有就是不僅輕，而且制作起來也不那么繁瑣費時，而且能更好的延長損害后的使用壽命等等，那么包含這么多優(yōu)點的材料是什么呢？即為玻璃纖維材料。機翼中間和外側(cè)襟翼及其滑軌整流罩、擾流板，以及副翼均采用了碳纖維復(fù)合材料。A380的機腹整流罩采用了輕型蜂窩結(jié)構(gòu)。A380飛機的制造材料根據(jù)不同的位置也有所不同，比如說在機身的壁板上就要用GLARE板進行制造，需要用27塊這種板才可以。它的面積有將近500多平方米。GLARE板是由鋁合金薄板和玻璃纖維增強環(huán)氧聚合物復(fù)合材料鋪層交替排列構(gòu)成的一種纖維－金屬層合板。GLARE板具有良好的拉－壓疲勞性能因為其結(jié)合了金屬材料與樹脂基復(fù)合材料的優(yōu)點。該性能降低了對缺口和沖擊的敏感性,可以較好地解決機身對外來物沖擊的損傷容限難題。當(dāng)今世界上民用飛機使用復(fù)合材料用量最大的為A350，用量為52wt%，超過了波音787復(fù)合材料的用量。A350機身設(shè)計分前、中、后3段，直徑為5.89m。A350機身段由4塊碳纖維復(fù)合材料蒙皮壁板連接而成，而不像波音B787那樣整段纏繞而成，這種設(shè)計的原理是每塊壁板的厚度及纖維鋪設(shè)方向可以根據(jù)具體的載荷要求進行優(yōu)化，不需要大型熱壓罐。A350的壁板結(jié)構(gòu)之前已經(jīng)說了制造起來并不那么的繁瑣費時，所以它維修起來也同樣不那么費事，比較簡單，簡單在哪呢？就是一旦受損的話，我們只需要把壁板給它換成新的，不用把整個機身都卸下來進行修理。但是像這樣的結(jié)構(gòu)不僅不利于實現(xiàn)座艙的氣密性，而且該結(jié)構(gòu)存在著組裝工作量大和連接件數(shù)量增加等缺點。A350的機尾段不得不采用整體成型技術(shù)，因為A350的機尾段是錐形筒體結(jié)構(gòu)，難以和等直段一樣采用壁板化的方法來制造。