Composites in the Aircraft Industry/zh

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复合材料在航空工业中的^应用，使工程师们克服了单独使用各种材料时遇到的难题。复合材料中的组成材料保持其特性，不会溶解或完全融合。这些材料结合在一起，形成了一种结构性能得到改善的“混合”材料。

轻质、耐高温复合材料的研发将使下一代高性能、经济型飞机的设计成为可能。此类材料的使用将降低燃油消耗、提高效率并降低飞机的直接运营成本。

复合材料可以制成各种形状，如果需要，还可以将纤维紧密缠绕以增加强度。复合材料的一个实用特性是它们可以分层，每层纤维的走向各不相同。这使得工程师能够设计出具有独特性能的结构。例如，可以设计一个结构使其只向一个方向弯曲，而不会向另一个方向弯曲。^{[ 2 ]}

基本复合材料的合成

在基础复合材料中，一种材料充当支撑基质，而另一种材料则在此基础支架上构建并增强整体材料。这种材料的形成可能是一个昂贵而复杂的过程。本质上，在高温高压下，将基质材料基质铺放在模具中。然后将环氧树脂或树脂浇注到基质材料上，当复合材料冷却后形成坚固的材料。复合材料也可以通过将次级材料的纤维嵌入基质中来生产。

复合材料具有良好的抗拉强度和抗压强度，非常适合用于制造飞机部件。材料的抗拉强度源于其纤维特性。当施加拉力时，复合材料中的纤维会沿力的方向排列，从而赋予其抗拉强度。良好的抗压强度可归因于基体体系的粘合性和刚度特性。树脂的作用是保持纤维呈直柱状，防止其弯曲。

航空和复合材料

复合材料对航空业至关重要，因为它们的结构强度可与金属合金相媲美，但重量更轻。这有助于提高飞机的燃油效率和性能。^{[ 3 ] [ 4 ]}

复合材料在航空工业中的作用

玻璃纤维是最常见的复合材料，由嵌入树脂基质的玻璃纤维组成。玻璃纤维最初在20世纪50年代被广泛用于船舶和汽车。20世纪50年代，玻璃纤维首次应用于波音 707客机，当时其结构占比约为2%。波音公司制造的每一代新飞机，复合材料的使用比例都在增加；最高的是787梦想飞机，其复合材料使用率高达50% 。

波音 787 梦想飞机将成为第一架主要结构件采用复合材料而非铝合金制成的商用飞机。^{[ 1 ]}这款飞机将从过时的玻璃纤维复合材料转向更先进的碳纤维层压板和碳纤维夹层复合材料。梦想飞机的翼盒曾出现过一些问题，原因是用于制造该部件的复合材料刚度不足。^{[ 1 ]}这导致飞机的初始交付日期被推迟。为了解决这些问题，波音公司正在通过在已制造的翼盒上增加新支架来增强翼盒的刚度，同时对尚未制造的翼盒进行改造。^{[ 1 ]}

复合材料测试

由于复合材料的复杂性，计算机仿真很难准确地模拟复合材料部件的性能。为了增加强度，复合材料通常采用层叠结构，但这使制造前的测试阶段变得复杂，因为各层的结构方向不同，难以预测它们在测试中的表现。^{[ 1 ]}

机械应力测试也可对部件进行。这些测试从小比例模型开始，然后逐渐扩展到更大的结构部件，最终覆盖整个结构。结构部件被放入液压机中进行弯曲和扭转，以模拟远超实际飞行中预期最坏情况的应力。

复合材料使用的影响因素

减轻重量是使用复合材料的最大优势，也是选择复合材料的关键因素之一。其他优势还包括其高耐腐蚀性和抗疲劳损伤性。这些因素有助于降低飞机的长期运营成本，进一步提高其效率。复合材料的优势在于，它们可以通过模塑工艺成型为几乎任何形状，但这也使原本就很困难的建模问题更加复杂。

使用复合材料的一个主要缺点是它们是一种相对较新的材料，因此成本较高。高成本还归因于其劳动密集且通常复杂的制造工艺。复合材料难以检测缺陷，而且有些复合材料会吸收水分。

相比之下，铝虽然更重，但易于制造和修复。即使铝被压凹或刺破，也能保持完整。复合材料则不然，一旦损坏，需要立即修复，这既困难又昂贵。

减轻重量，节省燃料

燃油消耗取决于多种变量，包括：飞机净重、有效载荷重量、飞机机龄、燃油质量、空速、天气等。采用复合材料制成的飞机部件重量可减轻约20%，例如787梦想飞机。^{[ 4 ]}

下面将以空客 A340-300 飞机为例，对空重减少 20% 时的总燃油节省量进行示例计算。

本案例研究的初始样本值来自外部来源。^{[ 5 ]}

鉴于：

• 工作空重（OEW）：129,300公斤
• 最大零燃油重量（MZFW）：178,000千克
• 最大起飞重量（MTOW）：275,000公斤
• 最大航程@最大重量：10,458公里

其他数量可以根据上面给出的数字计算出来：

• 最大货物重量 = MZFW - OEW = 48,700kg
• 最大燃油重量 = MTOW - MZFW = 97,000 公斤

因此，我们可以根据最大燃油重量和最大续航里程进一步计算燃油消耗量（以 kg/km 为单位）= 97,000kg/10,458km = 9.275kg/km

以下是重量减轻 20% 的情况下预期节省的燃料的计算，这只会将 OEW 值降低 20%：

• OEW（新）= 129,300kg * 0.8 = 103,440kg，相当于减轻了 25,860kg 的重量。

假设货物和燃料重量保持不变：

• MZFW（新）= MZFW - 25,680公斤= 152,320公斤
• 最大起飞重量（新）=最大起飞重量-25,680公斤=249,320公斤

97,000 公斤的燃油重量会降低最大起飞重量，因此航程会增加，因为最大重量和最大航程是成反比的。

使用简单比率计算新的范围：

249，320千克275，000千克=10，458千米十千米

求解 X 可得出新的范围：

• X = 11,535.18公里

这给出了减轻重量后的燃油消耗的新值 = 97,000kg/11,535.18km = 8.409kg/km

从这个角度来看，在10,000 公里的旅程中，将节省约8,660 公斤的燃料，空重将减少 20%。

环境影响

绿色工程的趋势日益明显。当今社会对环境的关注与思考日益加深。复合材料制造亦是如此。

如前所述，复合材料重量更轻，强度与较重材料相近。较轻的复合材料在运输或用于运输应用时，与较重的替代材料相比，其环境负荷更低。复合材料也比金属基材料更耐腐蚀，这意味着零件的使用寿命更长。^{[ 7 ]}这些因素共同作用，使复合材料从环境角度来看成为良好的替代材料。

传统生产的复合材料由石油基纤维和树脂制成，本质上不可生物降解。^{[ 8 ]}这是一个严重的问题，因为大多数复合材料在生命周期结束后最终都会被填埋。^{[ 8 ]}目前，人们对由天然纤维制成的可生物降解复合材料进行了大量的研究。^{[ 9 ]}可生物降解复合材料易于大规模生产，且性能与传统复合材料相似，它的发现将彻底改变包括航空业在内的多个行业。

另一个有助于环保的方案是回收退役飞机的旧零件。飞机的“拆解”是一个复杂且昂贵的过程，但由于购买一手零件的成本较高，这可能会为公司节省资金。^{[ 6 ]}

未来的复合材料

陶瓷基复合材料

美国国家航空航天局 (NASA)正在大力研发用于飞机部件的轻质耐高温复合材料。根据初步计算，预计概念发动机的涡轮进气口温度将高达 1650°C。 ^{[ 3 ]}为了使材料能够承受这样的温度，需要使用陶瓷基复合材料 (CMC)。在先进发动机中使用 CMC 还可以提高发动机的运行温度，从而提高产量。^{[ 10 ]}尽管 CMC 是一种很有前景的结构材料，但由于缺乏合适的增强材料、加工困难、寿命和成本等原因，其应用受到限制。

蜘蛛丝纤维

蜘蛛丝是另一种很有前景的复合材料。蜘蛛丝具有很高的延展性，纤维可拉伸至其正常长度的 140%。^{[ 11 ]}蜘蛛丝在低至 -40°C 的温度下也能保持其强度。^{[ 11 ]}这些特性使蜘蛛丝成为生产延展性复合材料的理想纤维材料，即使在异常温度下也能保持其强度。延展性复合材料对于飞机中承受各种应力的部件（例如机翼与主机身的连接部分）非常有用。这种复合材料具有更高的强度、韧性和延展性，可以在发生灾难性故障之前对部件或连接部分施加更大的应力。合成蜘蛛丝基复合材料的另一个优势是其纤维可生物降解。

人们曾多次尝试在实验室中复制蜘蛛丝，但均以失败告终，完美的再合成尚未实现。^{[ 12 ]}

混合复合钢板

另一种颇具前景的材料是不锈钢，其灵感源自复合材料、纳米技术纤维和胶合板。钢板采用相同的材​​料制成，能够以与传统钢材完全相同的方式进行加工和加工。但在强度相同的情况下，重量却减轻了百分之几。这对于汽车制造业尤其重要。瑞典公司Lamera正在申请专利，该公司是沃尔沃工业集团旗下研究机构的衍生产品。

结论

复合材料因其更高的强度重量比，比传统金属材料更具优势；尽管目前复合材料的制造成本较高。除非引入新技术来降低初始实施成本并解决现有复合材料不可生物降解的问题，否则这种相对较新的材料将无法完全取代传统的金属合金。

参考文献

页面数据

部分	MECH370
关键词	飞机,材料,材料 加工
作者	BSKukreja，Johan Löfström
执照	CC-BY-SA-3.0
组织	皇后大学
语言	英语(en)
翻译	葡萄牙语、法语、西班牙语、意大利语、波兰语、荷兰语、匈牙利语、印尼语、希腊语、韩语
有关的	23 个子页面，31 个页面链接至此
别名	复合材料在航空工业中的应用
影响	88,642 次浏览（更多）
创建	2009 年10 月 29 日， BSKukreja
上次修改时间	2025 年4月 4 日，190.150.218.102
引用	BSKukreja，约翰·勒夫斯特罗姆（2009-2025）。“飞机工业中的复合材料”。附录。检索日期：2025 年 4 月 15 日。
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