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第三篇
复合材料飞机结构设计
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第一章 概述
第一节 先进复合材料的开发与结构应用
一、先进复合材料的开发与结构应用
为了提高军用飞机性能，美国空军材料研究所（"%）早在 &’世纪 (’年代中期
就开始寻求比已经采用的铝合金、钛合金等金属材料的比强度、比模量更大的材料。
为此，研究开发了先进复合材料、铝锂合金等轻质高性能材料。先进复合材料在航
空、航天飞行器结构上应用获得了成功，现已成为飞机机体结构与铝合金、钛合金、钢
并驾齐驱的四大结构材料之一。先进树脂基复合材料的用量已成为飞机先进性的一
个重要标志。
先进复合材料的开发，基于对玻璃纤维增强塑料（玻璃钢 )*+）比重小、强度高
而模量较低的认识和经验，重点研究高模量、高强度、比重小的增强纤维。开始研究
生产硼纤维，因为从化学元素周期表看，硼（ ,）分子量小于玻璃纤维主要化学元素硅（-.）。
/01’年钨丝芯硼纤维小批量生产，硼纤维直径约 /’’2、拉伸模量 3’’)+4、拉伸
强度 56’’+4。硼纤维增强环氧的拉伸模量达 &’’)+4（密度 &7 ’），比 )*+拉伸模
量 3’)+4（密度 /7 6）大 (倍，比铝合金拉伸模量 8’)+4（密度 &7 8）约大 5倍。据此，美
国空军材料研究所将硼纤维增强环氧命名为先进复合材料（ 49:4;<=9<>2?>@.A=24A=B.C
4D@，"E），简称复合材料，借此与以往的玻璃纤维增强塑料有所区别，并开始了用于
飞机机体结构的应用研究。 1’年代末已研制出硼 F环氧复合材料水平尾翼和垂直安
定面翼盒结构件。
继之， /08/年高强型碳纤维 G5’’、"-3等小规模生产，并且价格优势日益明显。
碳 F环氧复合材料 G5’’ F (&’6，"-3 F 5(’/—1等耐湿热性能和工艺性均较好，因而在飞
机结构上得到推广应用。
/06’年后，中模量高强度碳纤维 H1、H8、G6’’等开始批量生产，以及使用温度
高、耐湿 F热性能好的双马来酰亚胺树脂基体和增韧环氧基体相继商品化，从而促使
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复合材料，如 " %&’%(，") %&%*—’和 +,- .)，") /))—.等得到大量应用，成为新一代飞机的主要结构材料之一。
综上所述，先进复合材料主要指结构性能相当于或优于铝合金的复合材料，目前系指硼纤维、碳纤维、芳纶等纤维增强树脂基复合材料，现已成为飞机结构的主要材料之一。
二、复合材料结构应用
复合材料是轻质高性能材料。但是，复合材料构件的成本，即由原材料、制造、检测、维护和修理等构成的全寿命周期费用（0123454634789，:((）太高。因此，复合材料结构首先应用 )航空、航天飞行器、高速列车、赛车、赛艇等高成本投入、高性能要求的结构上。
迄今为止，飞机上采用复合材料结构的主要目的是减轻机体结构重量和改善气动弹性和隐身性能等，因其突出的效益，有时宁可牺牲结构制造成本和某些技术保障性（如检测性、修复性等）也要采用复合材料结构。复合材料在飞机结构上的应用随着复合材料技术开发，而不断扩大。
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