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（0）战斗机是高新技术的综合实验场，战斗机上复合材料结构的应用，代表了飞机复合材料结构技术发展水平现状。 ;-<./，=>2>63，?@&***和 @-—0A? @，@—&&等先进高性能战斗机上复合材料结构重量已占结构重量 &.B一 .*B，机体结构表面积约 A*B为复合材料。前掠翼技术验证机，美国 C—&/（0/A’年 0&月 0’日首飞，图 0—%（>））和俄罗斯 <—.)“金雕”（0//)年 /月 &%日首飞，图 0—%（D），即苏— ’)），充分体现复合材料结构特有的气动弹性剪裁特性，使均质各向同性金属材料难以实现的前掠翼气动布局方案得以实现。
（&）巨型隐身轰炸机 E—&重点开发复合材料整体成形制造工艺技术、隐身复合材料结构和隐身涂层技术，其机翼复合材料用量约达结构重量 *B。
（.）干线客机（运输类飞机）从减重、耐腐蚀和可能降低成本考虑，积极、慎重地扩大复合材料结构应用。波音 )))和空中客车 -..* -.’*飞机上复合材料结构的应用标志着飞机复合材料结构技术发展的成熟程度。波音 )))飞机上复合材料用量已占结构重量近 0*B，约 /9，占飞机表面积约 .%B。
（’）小型公务机和运动飞机，其主要结构均为复合材料结构，复合材料用量约达结构重量 )*B，又称全复合材料飞机。“星舟”（ <9>F<G1H）公务机和创下不着陆、空中不加油环球飞行世界纪录的“旅行者”号（I75>J3F）就是典型代表。
我国从 &*世纪 A*年代开始，将复合材料应用技术研究列入重点发展领域。复合材料应用基本实现了从次承力构件到主承力构件的转变。复合材料的垂直安定面、水平尾翼、方向舵、前机身等构件已在多种型号飞机上使用，可以小批量生产。带
•.’•
整体油箱复合材料机翼等主承力结构已装机试飞成功。航空先进复合材料已进入实
际应用阶段。
复合材料开发与结构应用历程的简要回顾，充分说明飞机复合材料结构，特别是
战斗机复合材料结构应用对复合材料结构技术发展具有巨大的推进作用。因此，复
合材料结构设计以复合材料飞机结构设计进行阐述，涵盖面较宽，其所述内容同样可
供相关行业工程技术人员参考。
第二节 复合材料性能和制造工艺特点
一、复合材料的构成
复合材料是由两种或两种以上材料独立物理相，通过复合工艺组合构成的新型
材料。其中，连续相称为基体、分散相称为增强体，两相彼此之间有明显的界面。它
既保留原组分材料的主要特点，并通过复合效应获得原组分材料所不具备的性能。
通过材料设计可以使各组分材料的性能互相补充、彼此联系，从而获得优越性能。
先进复合材料的分类，如图 " 所示。
目前结构上应用的纤维增强树脂基复合材料是由纤维、基体和界面三个结构单
元构成。高模量、高强度的增强纤维是承载主体，决定沿纤维方向的强度和模量；树
脂基体提供了对纤维的支持和保护，同时决定横向（垂直纤维方向）的强度和模量，层
合结构的层间性能也主要由基体性能确定；界面将纤维和基体粘接在一起，并实现纤
维与基体间的载荷传递，从而构成了沿纤维方向具有高强度、高模量的新型材料。
二、复合材料性能特点
从结构应用角度分析，复合材料性能与金属材料相比，有以下特点：
（）材料基本性能呈方向性和线弹性特征
金属材料通常是各向同性材料，有屈服或条件屈服现象。而先进复合材料单层
性能具有明显的方向性。单向板沿纤维方向（纵向 %&）力学性能高于垂直纤维方向（横向 ’%&）性能和纵横剪切性能约 —(个数量级，并且应力 应变曲线直至断裂，基本上呈线弹性关系。分析证明，其偏离纤维方向的力学性能可以在纵向性能和横向
性能之间有规律地变化；同样，热 )湿膨胀系数等物理性能也有方向性。
（(）层合板刚度和强度性能可“剪裁”，但层间强度低，对垂直层合板平面的载荷
敏感
层合板性能可以利用层合板理论，选择每个单层铺设角、铺层比、铺层顺序来得
到，即设计师通过设计每层纤维的取向获得所需的层合板刚度和强度性能，恰似量体
•"+*•
图 " "复合材料分类示图
裁衣，故称剪裁设计。层合板性能剪裁设计，不仅可以获得所需的面内刚度和弯扭刚
度，而且还可获得独特的面内（拉伸、压缩、剪切）与面外（弯曲、扭转）之间的耦合刚
度。这是复合材料特有的耦合效应，是翼面气动弹性剪裁的基础。
层合板层与层之间的强度，即垂直层合板平面方向强度，是由树脂基体和界面强
度决定的，因此层间拉伸强度和层间剪切强度很低，比面内强度低 %&个数量级，因
此，对垂直层合板平面的载荷敏感。
（）对湿热环境敏感
湿热环境下，树脂基体会吸收少量水分（增强纤维中只有芳纶吸收水分）。所吸
收水分引起复合材料构件尺寸发生变化（湿膨胀）、玻璃化转变温度丁，下降（最高使
用温度下降），以及与基体和基体一纤维界面相关的压缩和剪切力学性能下降。目
前，湿 ’热环境条件下复合材料压缩性能已成为筛选树脂基体的重要指标之一。
（(）主要缺陷 ’损伤形式— ——分层和冲击损伤
裂纹是金属结构主要损伤形式，并根据裂纹萌生、扩展、断裂过程研究建立了金
属结构的耐久性与损伤容限要求和设计分析技术。
复合材料结构在制造和使用过程中，可能出现多种缺陷 ’损伤形式，如：空隙率超
标、分层、表面划伤、不合格（机械加工）孔、外来物冲击损伤等。分层是目视表面不可检的层与层之间的分离。分层可使复合材料层合结构性能，特别是压缩强度明显下降。外来物冲击损伤按目视可检程度（或冲击能量）大致可分为目视勉强可检损伤（)*+,）（低能量冲击损伤）、目视可检 ’易检损伤（ *+,，-*+,）（中等能量冲击损伤）和穿透性损伤（高能量冲击损伤）。冲击一旦造成大于目视可检的损伤，复合材料层合结构压缩承载能力随之即突然明显下降。因此，分层和冲击损伤成为复合材料结构的主要缺陷 ’损伤形式。质量控制允许（尺寸）的分层和目视勉强可检损伤归结构 •..•
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