先进树脂基复合材料在航空工业中的应用
摘 要：本文先介绍了先进树脂基复合材料的分类和发展现状，然后概述了先进树脂基复合材料在军民飞机机体和航空发动机上的应用情况。
先进复合材料具有质轻、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、工艺性好，容易制造大型结构和整体结构，是理想的航空结构材料，在航空产品上得到广泛的应用，已成为下一代飞机机体的主结构材料。根据美国航空航天局(NASA)的划分，航空用各种先进复合材料可以分为以下几种：树脂基复合材料(PMC，工作温度一般小于425℃)、金属基复合材料(MMC,工作温度为425~900℃)、金属间化合物基复合材料(IMC,主要用于650~120℃)、陶瓷基复合材料(CMC,其工作温度为1100~1650℃)以及碳/复合材料(C/C，其工作温度在1800℃乃至更高一些)等，其中，尤以树脂基复合材料在航空工业中的应用为广泛。
1 先进树脂基复合材料技术概述
先进树脂基复合材料通常指的是采用高性能增强材料(主要为碳纤维)增强的环氧、双马等树脂基结构复合材料。按树脂类型的不同，树脂基复合材料又分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。前者的基体树脂在固化剂和温度的作用下形成不溶不熔的体型高分子，其加工成形温度较低，耐化学性也较好，但加工周期长、性脆。后者的基体树脂为线型，支链型分子结构的高聚物，高温熔融，冷却即固结，其特点是加工周期短、韧性好、可重复回收再生，但成形温度较高，耐化学性稍差。连续纤维增强的树脂基复合材料具有各向异性和性能可设计性特点，可以按照工程结构的使用要求选用适当的组分材料和调整纤维方向，使设计的结构重量更轻、安全可靠和经济合理。它的另一个特点是材料和结构双重性，制造材料即制造结构。近年来，随着在材料性能提高、工艺改进、成本降低等方面取得重大进展，先进树脂基复合材料在军民用飞机及航空发动机上的应用更加广泛，图1给出了当前先进树脂基复合材料与轻金属材料机械性能的比较。
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当前，航空用先进树脂基复合材料大都为碳纤维增强热固性树脂复合材料，其中环氧树脂占统治地位。代176℃固化的脆性环氧仍然是今天次承力和中等承力结构复合材料的主要树脂。价格较高的第二代176℃固化的增韧环氧树脂复合材料主要用于冲击后压缩强度和湿热压缩强度要求较高的承力结构。双马来酰亚胺树脂(BMI)树脂的研究起步稍晚，但发展和应用速度很快，它的使用温度一般为150-250℃,多用于先进飞机(如美国第四代占机F-22)机身和机翼重要复合材料结构。目前以5250-4/IM7为代表的双马基高温复合材料已发展到第二代，工作温度达到177℃，广泛用于军机及民机高温部位。高温树脂基体的开发工作主要集中于聚酰亚胺树脂，其中负盛名的是PMR-15树脂，已在发动机上得到了广泛应用。由于钛合金稀缺，聚酰亚胺预浸带正研究用来替代500℃以下的钛合金。此外，近些年来还在开发氰酸酯树脂，此树脂特别适于雷达罩复合材料和隐身结构复合材料。美国Amber公司开发的C740阻燃氰酸乙酯树脂系统与碳纤维组成的材料固化的的工作温度可达344℃，可用作无人机S-100的尾喷管及发动机。
目前，制造先进树脂基复合材料结构的主要方法是预浸料-热压罐成形工艺，针对此法生产效率低、制造成本高和产品质量重复性较差等缺点，不少飞机公司和研究机构都在大力正在发展更为先进的能显著提高生效益、缩短固化时间和装配时间的制造技术，如采用缝合预形和3维编织预形增强体的树脂转移成形(RTM)法和树脂膜熔浸法(RFI)、预浸纤维束自动铺放技术、自动铺带技术和电子束固化等。
美国在先进树脂基复合材料方面具有强大的、全面的研究和生产基地，综合实力强，是上大的生产国和消费国，具有供应上大部分原材料的能力。美国的低成本复合材料技术的发展和机敏复合材料结构的研究计划，其规划和发展速度都远超过其他，见表1。美国曾在国防关键技术中确立了分阶段发展这种复合材料的目标：1995年前发展耐370℃的飞机结构用的树脂基复合材料，至2000年树脂基复合材料的成本降低40%，2005年推出能自检结构损伤的全尺寸机敏(又称智能)复合材料结构演示件。
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西欧某些方面于美国，如共固化技术、热塑性树脂基复合材料代表性树脂-聚醚醚酮的供应和金属薄板-纤维增强树脂基复合材料层板。日本在碳纤维制造技术方面居地位，其品种、性能和产量均为一流，是碳纤维主要生产国。
2、先进树脂基复合材料在军机上的应用
军用飞机不断提高性能需求有力地推动了先进复合材料的开发研究，因为结构重量的变轻就意味着大的载重量、高机动性能和能够短距起落等。目前，先进树脂基复合材料已在军用运输机、第四代战机、第三代直升机、高超声速飞机、空天飞机以及无人机等机体结构上大量应用，从小型、简单的次承力构件发展到大型、复杂的主承力构件，从单一的结构件发展到结构/吸波、结构/透波、结构/防弹等结构功能一体化构件，树脂基复合材料所占机体结构重量百分比已成为衡量现代飞机先进性的主要标志之一，图2给出了美欧部分已经服役战机复合材料的含量。
为满足新一代战斗机高机动性、超音速巡航及隐身的要求，进入90年代后，美欧战机无一例外的大量采用了复合材料结构，用量一般都在20%以上，有的甚至达到35%，结构减重效率达30%。如美国第四代战机F-22复合材料用量已达到24%，即将服役的F-35增加至26%，而欧洲EF2000更是高达35~40%。复合材料应用部位几乎遍布飞机的机体，包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等，图3给出了战斗机典型的复合材料部件。[-page-]
为了提高大型军用运输机的有效载荷，复合材料也得到了广泛应用。C-17是上世纪先进大型军用运输机的典型代表，C-17是1986年设计的，限于当时的水平，复合材料主要用于次要结构，如雷达罩、整流罩、操纵面、口盖、翼梢小翼蒙皮等，复合材料重约7258k，占该机结构重量8.1%，其中碳纤维增强复合材料约占结构重量6%，玻璃纤维塑料、Kevlar纤维增强材料占2%。而欧洲EADS的A400M属于新一代大型军用运输机，在材料应用技术上有了一个新的飞跃，主要表现为先进复合材料占结构重量的35%-40%。与C-17不同的是，在A400M上，碳纤维复合材料用于一些主承力结构如机翼大梁，而C-17的复合材料结构重量比仅为8%，且主要用于操纵面及次要结构。A400M的机身仍由传统的铝合金制成，但却开创了采用碳纤维复合材料制造大型运输机机翼的先河，机翼长达19米，除翼助外全部为复合材料整体件。
3、先进树脂基复合材料在民机上应用
因为材料的选择将直接影响到飞机的购买费用(原材料费用和加工成本)、燃油费用(飞机重量)和维护费用(检查和维修)，所以在民用飞机设计当中，对材料的选择非常关键。图4给出了典型的民用飞机直接运营成本的分解情况，从图中可以看出，民机的选材将直接影响到民机的运营费用。实践表面，用树脂基复合材料制造飞机部件比传统航空材料通常减重20%~30%，使用和维护成本比金属材料低15%~25%。
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除了费用以外，安全因素也是民用飞机设计选材时必须考虑的重要因素。航空选 材都必须有充分的使用基础和详细的性能数据库，因此任何一种新材料(包括先进复合材料)在民用飞机上的应用都是漫长的(通常为5~10年)和昂贵的(为常用材料的1~5倍)。但是，航空安全对材料性能的苛刻要求又促使先进材料的发展，迫使工业界采取先进的制造技术来提高材料的性能降低成本。在这方面波音和空客都表现得非常相似。波音公司1980年开始在波音727升降舵上使用环氧基复合材料，并获得了较理想的效益，然后逐步地扩展到波音737、747、767和777等系列机型，新一代波单787飞机，其复合材料用量已达到50%，并次采用了复合材料机身，见图5。欧洲空中客车公司在应用复合材料方面也毫不逊色于美国的飞机制造公司，他们1983年在A310垂直安定面上次使用复合材料后，也逐步扩大到已有A300和其它新的研制的飞机上，到A320时飞机复合材料用量超过了结构重量的15%，再到A380型宽体客机其用量已占结构重量的22%，使用部位包括机翼、尾翼和机身结构等，见图6。
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而该公司正在研制的新一代客机A350XWB，复合材料的应用比例更是高达52%。而一下代B737和A320预计复合材料用量将在55%以上。图7为复合材料在波音和空客民用飞机上的使用情况，表2分别给出了目前复合材料在部分民用飞机上应用的分布情况。
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4、先进树脂基复合材料在航空发动机上的应用
随着航空发动机性能不断提高，特别是重量不断减轻，在依靠整体叶盘、整体叶环、空心叶片和对转涡轮等新颖结构的同时，还将越来越多地依赖于高比强度、低密度、高刚度和耐高温能力强的先进复合材料，见图8。经过多年的研究和发展，由于树脂基复合材料具有优良的低、中温性能，而且在机体上的大量应用了积累了丰富的经验，现已成功应用于航空发动机外涵机匣、静子叶片、转子叶片、包容机匣以及发动机短舱、反推力装置等冷端部件，见表3。随着树脂基复合材料的欧美航空发动机上的应用越来越广泛，其它也开始加紧行动，逐渐提高该国航空发动机上先进复合材料的应用水平，比如俄罗斯2008年5月就宣布，到2015~2016年航空发动机中的复合材料使用率将达到20%，届时俄罗斯的发动机制造企业将会与主流航空发动机制造公司处于同一水平。
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5 结束语
先进树脂基复合材料在航空工业中的应用符合辨证的逻辑关系，是技术推动和需求牵引双重作用下的结果。一方面随着在材料性能提高、工艺改进、成本降低等方面取得重大进展，先进树脂基复合材料在航空工业中的应用更加广泛，从而提高了军民用飞机发动机的技术性能和经济性能；另一方面新一代军民用飞机及发动机的发展又对材料性能提出更高要求，迫使工业界采取先进的设计和制造技术来提高材料的性能和降低成本，从而又促使先进树脂基复合材料的发展。所以，随着材料技术的发展和新型飞行器的研制，先进树脂基复合材料将在航空工业中得到越来越广泛的应用。
先进复合材料具有质轻、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、工艺性好，容易制造大型结构和整体结构，是理想的航空结构材料，在航空产品上得到广泛的应用，已成为下一代飞机机体的主结构材料。根据美国航空航天局(NASA)的划分，航空用各种先进复合材料可以分为以下几种：树脂基复合材料(PMC，工作温度一般小于425℃)、金属基复合材料(MMC,工作温度为425~900℃)、金属间化合物基复合材料(IMC,主要用于650~120℃)、陶瓷基复合材料(CMC,其工作温度为1100~1650℃)以及碳/复合材料(C/C，其工作温度在1800℃乃至更高一些)等，其中，尤以树脂基复合材料在航空工业中的应用为广泛。
1 先进树脂基复合材料技术概述
先进树脂基复合材料通常指的是采用高性能增强材料(主要为碳纤维)增强的环氧、双马等树脂基结构复合材料。按树脂类型的不同，树脂基复合材料又分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。前者的基体树脂在固化剂和温度的作用下形成不溶不熔的体型高分子，其加工成形温度较低，耐化学性也较好，但加工周期长、性脆。后者的基体树脂为线型，支链型分子结构的高聚物，高温熔融，冷却即固结，其特点是加工周期短、韧性好、可重复回收再生，但成形温度较高，耐化学性稍差。连续纤维增强的树脂基复合材料具有各向异性和性能可设计性特点，可以按照工程结构的使用要求选用适当的组分材料和调整纤维方向，使设计的结构重量更轻、安全可靠和经济合理。它的另一个特点是材料和结构双重性，制造材料即制造结构。近年来，随着在材料性能提高、工艺改进、成本降低等方面取得重大进展，先进树脂基复合材料在军民用飞机及航空发动机上的应用更加广泛，图1给出了当前先进树脂基复合材料与轻金属材料机械性能的比较。
[-page-] 当前，航空用先进树脂基复合材料大都为碳纤维增强热固性树脂复合材料，其中环氧树脂占统治地位。代176℃固化的脆性环氧仍然是今天次承力和中等承力结构复合材料的主要树脂。价格较高的第二代176℃固化的增韧环氧树脂复合材料主要用于冲击后压缩强度和湿热压缩强度要求较高的承力结构。双马来酰亚胺树脂(BMI)树脂的研究起步稍晚，但发展和应用速度很快，它的使用温度一般为150-250℃,多用于先进飞机(如美国第四代占机F-22)机身和机翼重要复合材料结构。目前以5250-4/IM7为代表的双马基高温复合材料已发展到第二代，工作温度达到177℃，广泛用于军机及民机高温部位。高温树脂基体的开发工作主要集中于聚酰亚胺树脂，其中负盛名的是PMR-15树脂，已在发动机上得到了广泛应用。由于钛合金稀缺，聚酰亚胺预浸带正研究用来替代500℃以下的钛合金。此外，近些年来还在开发氰酸酯树脂，此树脂特别适于雷达罩复合材料和隐身结构复合材料。美国Amber公司开发的C740阻燃氰酸乙酯树脂系统与碳纤维组成的材料固化的的工作温度可达344℃，可用作无人机S-100的尾喷管及发动机。
目前，制造先进树脂基复合材料结构的主要方法是预浸料-热压罐成形工艺，针对此法生产效率低、制造成本高和产品质量重复性较差等缺点，不少飞机公司和研究机构都在大力正在发展更为先进的能显著提高生效益、缩短固化时间和装配时间的制造技术，如采用缝合预形和3维编织预形增强体的树脂转移成形(RTM)法和树脂膜熔浸法(RFI)、预浸纤维束自动铺放技术、自动铺带技术和电子束固化等。
美国在先进树脂基复合材料方面具有强大的、全面的研究和生产基地，综合实力强，是上大的生产国和消费国，具有供应上大部分原材料的能力。美国的低成本复合材料技术的发展和机敏复合材料结构的研究计划，其规划和发展速度都远超过其他，见表1。美国曾在国防关键技术中确立了分阶段发展这种复合材料的目标：1995年前发展耐370℃的飞机结构用的树脂基复合材料，至2000年树脂基复合材料的成本降低40%，2005年推出能自检结构损伤的全尺寸机敏(又称智能)复合材料结构演示件。
[-page-] 西欧某些方面于美国，如共固化技术、热塑性树脂基复合材料代表性树脂-聚醚醚酮的供应和金属薄板-纤维增强树脂基复合材料层板。日本在碳纤维制造技术方面居地位，其品种、性能和产量均为一流，是碳纤维主要生产国。
2、先进树脂基复合材料在军机上的应用
军用飞机不断提高性能需求有力地推动了先进复合材料的开发研究，因为结构重量的变轻就意味着大的载重量、高机动性能和能够短距起落等。目前，先进树脂基复合材料已在军用运输机、第四代战机、第三代直升机、高超声速飞机、空天飞机以及无人机等机体结构上大量应用，从小型、简单的次承力构件发展到大型、复杂的主承力构件，从单一的结构件发展到结构/吸波、结构/透波、结构/防弹等结构功能一体化构件，树脂基复合材料所占机体结构重量百分比已成为衡量现代飞机先进性的主要标志之一，图2给出了美欧部分已经服役战机复合材料的含量。
为满足新一代战斗机高机动性、超音速巡航及隐身的要求，进入90年代后，美欧战机无一例外的大量采用了复合材料结构，用量一般都在20%以上，有的甚至达到35%，结构减重效率达30%。如美国第四代战机F-22复合材料用量已达到24%，即将服役的F-35增加至26%，而欧洲EF2000更是高达35~40%。复合材料应用部位几乎遍布飞机的机体，包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等，图3给出了战斗机典型的复合材料部件。[-page-]
为了提高大型军用运输机的有效载荷，复合材料也得到了广泛应用。C-17是上世纪先进大型军用运输机的典型代表，C-17是1986年设计的，限于当时的水平，复合材料主要用于次要结构，如雷达罩、整流罩、操纵面、口盖、翼梢小翼蒙皮等，复合材料重约7258k，占该机结构重量8.1%，其中碳纤维增强复合材料约占结构重量6%，玻璃纤维塑料、Kevlar纤维增强材料占2%。而欧洲EADS的A400M属于新一代大型军用运输机，在材料应用技术上有了一个新的飞跃，主要表现为先进复合材料占结构重量的35%-40%。与C-17不同的是，在A400M上，碳纤维复合材料用于一些主承力结构如机翼大梁，而C-17的复合材料结构重量比仅为8%，且主要用于操纵面及次要结构。A400M的机身仍由传统的铝合金制成，但却开创了采用碳纤维复合材料制造大型运输机机翼的先河，机翼长达19米，除翼助外全部为复合材料整体件。
3、先进树脂基复合材料在民机上应用
因为材料的选择将直接影响到飞机的购买费用(原材料费用和加工成本)、燃油费用(飞机重量)和维护费用(检查和维修)，所以在民用飞机设计当中，对材料的选择非常关键。图4给出了典型的民用飞机直接运营成本的分解情况，从图中可以看出，民机的选材将直接影响到民机的运营费用。实践表面，用树脂基复合材料制造飞机部件比传统航空材料通常减重20%~30%，使用和维护成本比金属材料低15%~25%。
[-page-] 除了费用以外，安全因素也是民用飞机设计选材时必须考虑的重要因素。航空选 材都必须有充分的使用基础和详细的性能数据库，因此任何一种新材料(包括先进复合材料)在民用飞机上的应用都是漫长的(通常为5~10年)和昂贵的(为常用材料的1~5倍)。但是，航空安全对材料性能的苛刻要求又促使先进材料的发展，迫使工业界采取先进的制造技术来提高材料的性能降低成本。在这方面波音和空客都表现得非常相似。波音公司1980年开始在波音727升降舵上使用环氧基复合材料，并获得了较理想的效益，然后逐步地扩展到波音737、747、767和777等系列机型，新一代波单787飞机，其复合材料用量已达到50%，并次采用了复合材料机身，见图5。欧洲空中客车公司在应用复合材料方面也毫不逊色于美国的飞机制造公司，他们1983年在A310垂直安定面上次使用复合材料后，也逐步扩大到已有A300和其它新的研制的飞机上，到A320时飞机复合材料用量超过了结构重量的15%，再到A380型宽体客机其用量已占结构重量的22%，使用部位包括机翼、尾翼和机身结构等，见图6。
[-page-] 而该公司正在研制的新一代客机A350XWB，复合材料的应用比例更是高达52%。而一下代B737和A320预计复合材料用量将在55%以上。图7为复合材料在波音和空客民用飞机上的使用情况，表2分别给出了目前复合材料在部分民用飞机上应用的分布情况。
[-page-] 4、先进树脂基复合材料在航空发动机上的应用
随着航空发动机性能不断提高，特别是重量不断减轻，在依靠整体叶盘、整体叶环、空心叶片和对转涡轮等新颖结构的同时，还将越来越多地依赖于高比强度、低密度、高刚度和耐高温能力强的先进复合材料，见图8。经过多年的研究和发展，由于树脂基复合材料具有优良的低、中温性能，而且在机体上的大量应用了积累了丰富的经验，现已成功应用于航空发动机外涵机匣、静子叶片、转子叶片、包容机匣以及发动机短舱、反推力装置等冷端部件，见表3。随着树脂基复合材料的欧美航空发动机上的应用越来越广泛，其它也开始加紧行动，逐渐提高该国航空发动机上先进复合材料的应用水平，比如俄罗斯2008年5月就宣布，到2015~2016年航空发动机中的复合材料使用率将达到20%，届时俄罗斯的发动机制造企业将会与主流航空发动机制造公司处于同一水平。
[-page-] 5 结束语
先进树脂基复合材料在航空工业中的应用符合辨证的逻辑关系，是技术推动和需求牵引双重作用下的结果。一方面随着在材料性能提高、工艺改进、成本降低等方面取得重大进展，先进树脂基复合材料在航空工业中的应用更加广泛，从而提高了军民用飞机发动机的技术性能和经济性能；另一方面新一代军民用飞机及发动机的发展又对材料性能提出更高要求，迫使工业界采取先进的设计和制造技术来提高材料的性能和降低成本，从而又促使先进树脂基复合材料的发展。所以，随着材料技术的发展和新型飞行器的研制，先进树脂基复合材料将在航空工业中得到越来越广泛的应用。
