【摘  要】 在航空领域内，质量决定着飞行器的性能，而对于带发动机的飞行器而言，质量更是影响其先进性的重要因素，也是影响其设计性能的关键因素，轻量化是航空领域内一个重要的设计指标和导向。碳纤维复合材料的高比强度和高比模量的性质使得碳纤维在航空领域内有着不可多得的材料性能优势，比传统的铝合金，钛合金等金属材料性能更为优越，在航空领域内有着广阔的应用天地。

【关键词】飞行器;碳纤维;复合材料;轻量化

Abstract： In the field of aviation， weight determines the performance of the aircraft， and for the aircraft with engines， weight is an important factor affecting its advancement， it is also a key factor affecting its design performance. Lightweight is an important design index and guidance in the field of aviation. The properties of high specific strength and high specific modulus of carbon fiber composites make it have a rare material performance advantage in the field of aviation.  It is better than the traditional aluminum alloy， titanium alloy and other metal materials， and it is widely used in the field of aviation.

Keywords： aircraft; composite materials; carbon fiber; lightweight

引言

复合材料（Composites，Composite materials），由异质，异性，异形的有机聚合物，无机非金属，金属等材料作为基体或增强体，通过复合工艺组合而成的材料。复合材料的三大特点使得先进复合材料已与铝合金，钛合金，合金钢并称为航空航天的四大结构材料。各向异性和材料可设计性是复合材料的最大特点。复合材料的性能取决于基体，增强体和其含量，铺设方式。通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等手段，对复合材料进行合理的设计，用最少的材料满足设计要求，有效发挥材料的作用。

与普通纤维增强材料不同，复合材料比强度可以高出铝合金6-10倍，比模量高出4倍，既可用于航空航天飞行器、导弹火箭等国防军工领域，又可广泛应用于风力发电、汽车零部件、高压气瓶等广泛民用工业领域，技术附加值高，政治敏感性强，其战略价值不言而喻。

以飞机设计而言，减轻结构重量对其具有特殊而重要的意义，减重是其永恒的主体，而复合材料能够带来20%-30%的减重，这是其他手段所无法达到的。国际先进军民机中，复合材料用量已成为衡量飞机先进性的重要指标。

1.碳纤维与国外航空领域

碳纤维的应用涵盖我们生活的方方面面，汽车轻量化需求使得碳纤维复合材料在汽车领域的应用日趋广泛。风电领域对碳纤维的需求也在大幅度增长。在航空领域内碳纤维复合材料更有广阔的应用天地。60年代发展起来的碳纤维复合材料自动铺放技术（Automated Placement Technology，APT），突破了大尺寸复合材料零件依赖手工成型的瓶颈，由初始的自动铺带技术（Automatic Tape Placement，ATL）经过不断改进发展成自动铺丝技术（Automatic Fiber/Tow Placement，AFP/ATP），具有高效、高精度和高可靠性的優点，适用于民用或军用运输机、战斗机预警机等飞行器大型复合材料零件的制造。

70年代，民机上复合材料的应用从操纵面推广到用于位移安定面这类次承力面。目前，国外投入使用的民机上，尾翼基本上都采用了复合材料，为了进一步将复合材料扩大用于机翼和机身这一类主结构，美国先后赞助执行了ACT计划和AST计划以及CAI计划;在欧洲则实施了TANGO和ALCAS计划，目的在于提供制造成本上有竞争力的复合材料机翼和机身技术。同时，在包括自动铺丝技术ATP等工艺技术和制造设备的发展下，复合材料结构件也由简单形状到复杂零件，零件向整体成型过渡，在这些国家计划的支持下，复合材料技术得到了快速而系统的发展。

在无人机领域，碳纤维复合材料应用也方兴未艾。碳纤维在无人机上的应用量远远超过有人军用飞机的应用水平。1986年，英国“不死鸟”无人机是最早的全复合材料无人机。1995年，美国空军研制“全球鹰”高空长航时无人侦察机，机身主结构采用铝合金材料，机翼、尾翼、后机身、整流罩等均采用先进复合材料占结构总重的65%。2001年，美国通用原子公司制造“捕食者”中空长航时多用途无人机，大量使用先进结构复合材料，约占结构总重的92%。

2.我国碳纤维复材在航空领域的应用现状

我国的复合材料事业起步于上世纪六十年代，四十多年来我们取得了一定的成绩和进展，但是与世界先进水平比，我们应用的规模与水平，设计的方法与观念，材料的基础与配套，层合固化工艺及装备还相当落后。很多先进的设备还必须依赖进口，而西方对很多高性能复合材料装备都实行严格的管制，成为制约新型碳纤维复合材料在我国普及、应用和发展的重要因素。

在碳纤维复合材料的应用方面，我国起步阶段严重滞后于欧美等发达国家，经过近十多年的努力，我国高性能纤维稳步发展，技术装备水平持续提升，且品种齐全，产能规模已居世界前列，产品已能满足国防军工需求，在民用航空、交通能源等各个领域得到广泛应用。

在民航领域，C919无疑是具有典型代表的机型。从2017年首飞，中国民航随之开启了新的篇章。在国际民机大量采用碳纤维复合材料的背景下，C919飞机采用了12%的复合材料（结构重量而言），主要部位有水平尾翼，垂直尾翼等。虽然国外先进客机A350，B787等复合材料用量已经达到了50%以上，但如此大规模的采用碳纤维复材依然是国内尚属首次。其意义深远，在波音和空客两分天下的情况下，为我国在民航领域的发展开辟了一条生路，但是与国外的民航相比，我国民航领域复材的应用尚有很大的差距。

在军用有人机领域，我国从上世纪60年代末开始在复合材料及其飞机结构上的应用研究，70年代中期研制成功了第一个复合材料飞机结构件—某歼击机进气道壁板开始，到复合材料垂尾的战斗机首飞上天，再到带有整体油箱的歼击机复合材料机翼研制成功，这标志着复合材料在我国飞机结构中应用上了一个台阶，目前，几乎所有的在研飞机均不同程度地带着复合材料部件。

在无人机领域，2011年中航工业成飞推出“翔龙”高空高速无人侦察机，大量采用结构与功能复合材料，使得无人机具有较好的强度刚度。2012年。由中航工业成飞研制的“翼龙”中低空长航时多用途无人机，其外形酷似“捕食者”无人机，但由于大量采用先进复合材料并改进制造工艺，使得“翼龙”无人机性能不低于“捕食者”，却拥有更低的成本与售价。同时，由航天十一院研制的新型彩虹太阳能无人机成功完成临近空间飞行试验，相比于其它类型无人机，太阳能无人机受可用功率限制，对飞行质量更为敏感，而航天十一院大量使用碳纤维等先进复合材料，并结合超轻质复合材料结构的设计与制造工艺方法，初步解决了总体、气动、结构等关键技术难题。

碳纤维复合材料在地基防空导弹上面也有大量应用，其主要的应用方向是导弹舱体，舵翼面以及发动机壳体结构。例如美国的空中防御反坦克系统，法国响尾蛇VT-1反坦克导弹，等均采用碳纤维复合材料壳体。同时碳纤维复合材料在发动机壳体上面也有应用，根据发动机壳体容积特性系数，随着所用材料质量的轻量化而得到提高。

在空空导弹武器系统中，真正應用于产品上的复合材料并不多，在导弹系统上，主要应用在发动机尾喷管，主要是陶瓷基复合材料。由于导弹严酷的使用工况，碳纤维复合材料在导弹系统尚未真正应用，在导弹发射装置领域内，目前也正在进行复合材料在该领域内的应用研究，尚未真正的应用到产品上。

3.结论

本文通过对国内外航空领域内先进复合材料的应用情况进行了对比和分析，得出近年来，先进复合材料在国际航空领域内的发展和应用范围不断扩大。但我国高性能碳纤维复合材料的应用技术和研究水平跟国外仍然存在一定的差距。随着我国经济的发展和技术的不断提升，ATP，RTM等工艺技术的进一步发展和应用，高性能碳纤维复合材料在航空领域内必将得到更好的发展与应用。

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作者简介：苏斌山（1984-），男，甘肃武威人，工程师/硕士研究生，研究方向为发射装置电气结构设计，复合材料应用研究。