复合材料结构修理-1.1 复合材料在现代民用飞机上的应用(2)
复合材料在飞机上的应用与修理
2019年01月复合材料在飞机上的应用与修理吕善宝（山东太古飞机工程有限公司，山东济南250107）摘要：随着经济的不断发展和航空技术的不断进步，人们越来越多会选择将飞机作为自己的出行方式，航空工业最近几年发展速度也较快。
由于飞机飞行的特殊性，其对材料的使用往往有较高的要求。
复合材料是将各种材料有效复合在一起的材料，其可以高效对各种材料的性能进行应用，其质量轻、强度高、阻燃型好的特点非常适合在飞机上进行应用，在飞机各部位上的应用也越来越多。
为此，我将要在本文中对复合材料在飞机上的应用进行探讨，希望对促进我国航空工业的发展，可以起到有利的作用。
关键词：复合材料；飞机；应用与修理随着时代的不断发展，飞机制造技术对材料的要求越来越高，飞机上的各种材料也从原来的金属材质，逐渐向复合材料进行转变。
由于纳米技术的不断发展，复合材料技术取得了很大的发展，尤其体现在碳纤维材料上，其质量更轻、强度更大、耐高温性能更好，非常适合在飞机上进行应用，相关的修理技术也取得了很大的进步【1】。
1复合材料在飞机上的应用复合材料在旋翼桨叶上的应用。
经过复合材料工艺和成分的不断改进，复合材料的抗疲劳性能更好、裂纹的扩散速度也较慢、容易冲压成型，比价适合在旋翼浆上进行应用。
通过复合材料的应用，可以有效提高桨叶的使用寿命，降低其维修成本，增加公司的经济效益【2】。
其主要特点是，翼型从对称变成了弯曲、非对称，浆尖形状从矩形变成了后掠、尖削，这样可以有效改善浆也的载荷分布、浆涡干扰和噪声特性，有效提高了旋翼的工作效率，在实际应用过程中，得到了不错的应用效果【3】。
纳米科技是科学技术领域的重大发现，其有效改变了我们对微观世界的认知，碳纤维就是在对纳米技术的研究中发现的。
碳纤维是有机纤维经过碳化和石墨化处理而得到的，其强度非常高，比常规的钢材料的强度还高，但是其密度却非常小，甚至比铝的密度还低。
为了让碳纤维具有更大的利用价值，将其和其它材料进行复合，便研制出碳纤维复合材料，其抗拉强度更高，是传统钢铁的数倍，还具有抗变形、抗磁化、耐高温、耐腐蚀的优点，具有非常大的发展和应用空间，目前在航空领域的应用已经较多，能够有效减轻航空器的重量。
浅析飞机复合材料结构修理技术
浅析飞机复合材料结构修理技术作者：刘军来源：《科技创新与应用》2014年第30期摘要：随着科技的不断进步，复合材料逐渐出现在航空领域，在现代航空领域的发展中被广泛应用。
由于复合材料已经成为现代飞机结构的重要组成部分，并且其损伤机理与金属损伤存在差异，对复合材料结构修理技术研究具有重要的现实意义。
文章主要基于飞机复合材料结构修理基础之上进行研究，促进飞机复合材料的可持续发展。
关键词：飞机复合材料；结构修理；技术分析前言国内对于先进复合材料在航空领域的应用已经取得一定成效，但对于飞机复合材料结构修理技术的研究依旧需要不断完善。
由于现代航空领域需求的不断增加，对复合材料的使用要求逐渐严格。
同时在具体的应用过程中需要对复合材料进行维护，体现出飞机复合材料结构修理技术的重要性。
1 飞机复合材料结构类型以及损伤类型目前，国内外的复合材料在航空领域的应用具有广泛性特点，材料用量占总体用量总重的25%-40%，其中民用飞机占11%-16%，直升机高达60%以上。
由此可见，飞机复合材料结构在航空领域的应用具有广泛性特点。
对于复合材料以及损伤类型进行分析，加深对复合材料修理技术的理解。
1.1飞机复合材料结构类型1.1.1 压层板。
复合材料当中的压层板主要是由单层板粘合而成，同时构成材料可为不同材质的单层板，也可为各向异性单层板进行构成。
由于单层板构成存在复杂性以及非匀质性，导致单层板的实际构成具有各向异性的特点。
1.1.2 蜂窝夹芯结构。
蜂窝夹芯机构主要是由薄面板与中间胶接低密度的夹芯构成，具体的面板结构为层压板，面板较薄。
其中具体的使用材料为纤维玻璃布、单向碳纤维、编织布、芳纶有机纤维布等材料。
蜂窝夹芯结构比常规金属结构具有较高的比强度、抗弯强度、高结构阻尼、消音以及耐声震、隔热性等良好的性能，在航空领域应用具有较好效果。
1.1.3 蜂窝壁板。
蜂窝壁板主要是承力面以及蜂窝夹芯构成，蜂窝夹芯位于承力面板之间，使得整个蜂窝壁板的强度增加[1]。
复合材料在航空工程中的应用
复合材料在航空工程中的应用复合材料是由两种或两种以上的材料组成的，它们具有各自的优点和缺点。
航空工程是一个十分精密和复杂的领域，要求所有的部件都要非常轻巧，同时还要承受巨大的负荷。
利用复合材料来制造航空部件已经成为业内的主流。
在这篇文章中，我们将探讨复合材料在航空工程中的应用。
1.复合材料的种类复合材料的种类很多。
最常见的种类是石墨纤维双向编织复合材料，它以其高强度、高刚度及抗腐蚀等特点优势，被广泛应用于航空工程。
另一个种类是碳纤维增强材料，由于其具有高强度、轻质、高温耐性等特点，在飞机上的应用也越来越广泛。
2.复合材料在航空工程中的应用航空工程是一个非常具有挑战性的领域，要求所有的航空部件都必须轻便而且强壮。
因此，复合材料在航空工程中得到了广泛的应用。
（1）飞机机身在航空工程中，飞机机身是由航空铝合金和复合材料构成的。
除了铝合金材料用于机身底部的固定和支撑外，其余的部分都用复合材料构成。
这大大降低了机身的重量，同时也提升了机身的强度和耐用性。
（2）飞机尾翼尾翼是飞机的关键部分之一。
它对飞机的飞行稳定性有着巨大的影响。
在航空工程中，复合材料在尾翼的应用越来越广泛。
在飞机的水平和垂直尾翼上，广泛应用了纤维增强复合材料，这可以减轻飞机的重量并提高其机动性。
（3）飞机引擎舱壳体在航空工程中，飞机站下强烈的气流冲击和飞行时的高温高压环境，因此引擎舱壳体的强度和耐用性至关重要。
复合材料因其高的强度和抗氧化性，成为了制造引擎舱壳体的首选材料。
（4）飞机螺旋桨在航空工程中，螺旋桨通常是高度标准化的精密零件。
而复合材料的高强度和轻量化优势，使其成为螺旋桨制造的理想材料。
现在大多数商用飞机使用的都是复合材料螺旋桨。
3.复合材料的未来应用复合材料的应用已经在航空工程中变得越来越常见，未来的发展也肯定也比现在更广阔。
需要注意的是，复合材料存在着一些挑战。
例如，难以修复、制造成本高等问题。
这需要企业在未来的开发和应用中加倍努力，克服这些问题，深耕行业。
从结构用途方面阐述复合材料在国内外民用飞机上的应用情况
从结构用途方面阐述复合材料在国内外民用飞机上的应用情况篇一一、引言随着航空技术的飞速发展，民用飞机对于材料性能的要求也日益提高。
复合材料，由于其优异的力学性能、轻量化特性以及设计灵活性，在民用飞机制造中得到了广泛应用。
本文将从结构用途的角度，详细阐述复合材料在国内外民用飞机上的应用情况。
二、复合材料在民用飞机结构中的应用概述复合材料在民用飞机结构中的应用主要体现在以下几个方面：机身、机翼、尾翼、发动机短舱以及内部构件等。
通过复合材料的应用，民用飞机实现了结构轻量化，提高了飞行性能，同时降低了运营成本。
三、国内外民用飞机复合材料应用的具体情况机身结构：复合材料在机身结构中的应用主要体现在蒙皮和桨叶上。
采用碳纤维增强复合材料制造的机身蒙皮，具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，显著提高了飞机的燃油经济性和飞行性能。
国内外主流民用飞机制造商如波音、空客等均在机身结构中大量采用复合材料。
机翼结构：机翼是飞机的重要承载部件，其性能直接影响到飞机的飞行安全。
复合材料在机翼结构中的应用，可以实现机翼的轻量化设计，提高机翼的升力系数和飞行稳定性。
例如，波音787梦想飞机的机翼采用了碳纤维复合材料制造，使得机翼重量大幅减轻，同时提高了飞行效率。
尾翼结构：尾翼是控制飞机飞行方向的关键部件。
复合材料在尾翼结构中的应用，可以降低尾翼的重量，提高尾翼的控制精度和响应速度。
国内外多款民用飞机如空客A350、C919等均采用复合材料尾翼结构。
发动机短舱：发动机短舱是民用飞机发动机的重要保护装置，需要具有良好的耐高温、耐腐蚀等性能。
复合材料在发动机短舱中的应用，可以显著提高短舱的耐高温性能和结构强度，保证发动机的安全运行。
例如，CFMI公司的LEAP-1C发动机就采用了碳纤维复合材料制造的发动机短舱。
四、复合材料在民用飞机应用中的挑战与前景尽管复合材料在民用飞机上得到了广泛应用，但仍面临一些挑战，如制造成本、维修难度等。
然而，随着技术的进步和产业规模的扩大，复合材料的制造成本将逐渐降低，维修技术也将不断完善。
航空复合材料修补-第一章概论
机种 阵风 JAS39 B-2 F-22 台风 国别 法国 瑞典 美国 美国 英德意西 用量 25% 30% 50% 25% 50% 具体应用部位
机翼、垂尾、机身结构的50% 机翼、前翼、垂尾、所有舱门 中央翼（身）的40%，外翼中部和侧后部， 机翼前缘 前中机身蒙皮、部分框、机翼蒙皮和部分 梁、垂尾蒙皮、平尾蒙皮和大轴 前中机身、机翼、垂尾、前翼，机体表面 的80%为复合材料
本章习题
1. 解释复合材料、先进复合材料的定义？
2. 简述复合材料在飞机上应用的发展趋势？
3. 解释湿铺层、预浸料和铺层角的含义？ 4. 简述层合板的特性和铺层设计时的注意事项。 5. 飞机复合材料如何用图样表达？
蜂窝 芯的 结构 形状
六角形蜂窝芯 柔性蜂窝芯
过拉伸蜂窝芯
蜂窝 芯的 结构 特性
较强的抗震、抗冲击和耐声抗疲劳性能
第1章 飞机复合材料结构的识别
1.2.3 复合材料结构图样表达-铺层图和剖面符号
铺 层 图
平面图：表示铺层的形状、几何尺寸及公差的视图。 剖面图：表示铺层的层次关系，铺层的起止、拼接、几何尺寸 及公差的视图。可不按比例绘制。
第1章 飞机复合材料结构的识别
1.2.1 复合材料层合板结构-铺层设计参数
总层数 铺 层 设 计 参 数 各铺层材料 铺层取向
铺层的纤维方向与层合板构件的 纵向（基准坐标X）之间的角度 复合材料层合板构件制 作时，铺层铺设时的先 后顺序。
铺层角
铺层顺序
n：零件图号 p：铺层代号 m：铺层序号， 从贴膜面起计
剖面符号
第1章 飞机复合材料结构的识别
1.2.3 复合材料结构图样表达
复合材料结构图样内包括：铺层编号、铺层取向、铺层图、 铺层表、剖面符号和图样附注。 图样附注内容：
复合材料在飞行器动力结构中的应用
复合材料在飞行器动力结构中的应用在现代航空航天领域，飞行器的性能和安全性始终是人们关注的焦点。
为了满足不断提高的飞行要求，材料科学的发展起到了至关重要的作用。
复合材料作为一种具有优异性能的新型材料，在飞行器动力结构中的应用日益广泛，为飞行器的设计和制造带来了革命性的变化。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法组合而成的材料，其性能通常优于单一材料。
在飞行器动力结构中，常用的复合材料包括碳纤维增强复合材料（CFRP）、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）、凯夫拉纤维增强复合材料等。
这些复合材料具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀等优点，能够显著减轻结构重量，提高飞行器的燃油效率和飞行性能。
在飞行器发动机中，复合材料的应用主要体现在风扇叶片、压气机叶片、涡轮叶片等部件上。
以风扇叶片为例，传统的金属叶片在高速旋转时会受到巨大的离心力和气动载荷，容易产生疲劳裂纹和变形。
而采用碳纤维增强复合材料制造的风扇叶片，不仅具有更高的强度和刚度，还能够减轻重量，降低旋转时的惯性力，从而提高发动机的效率和可靠性。
此外，复合材料的耐腐蚀性也使得叶片在恶劣的工作环境中能够保持良好的性能，延长发动机的使用寿命。
在飞行器的机身结构中，复合材料同样发挥着重要作用。
例如，波音 787 客机的机身大量采用了碳纤维增强复合材料，其用量达到了结构重量的 50%以上。
与传统的铝合金机身相比，复合材料机身具有更好的抗疲劳性能和耐腐蚀性，能够降低维护成本，同时提高机身的强度和刚度，增加客舱的空间和舒适性。
除了在结构件中的应用，复合材料还在飞行器的热防护系统中得到了广泛应用。
在高超音速飞行时，飞行器表面会产生极高的温度，传统的金属材料难以承受这样的高温环境。
而陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料具有优异的耐高温性能，能够有效地保护飞行器结构免受高温的损害。
然而，复合材料在飞行器动力结构中的应用也并非一帆风顺。
首先，复合材料的成本相对较高，限制了其在一些低成本飞行器中的广泛应用。
飞机复合材料结构修理技术
飞机复合材料结构修理技术1 复合材料在飞机上的应用复合材料是由两种或两种以上的不同材料、不同形状、不同性质的物质复合形成的新型材料。
一般由基体材料和增强材料所组成。
复合材料可经设计，即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现了出色的综合性能。
随着玻璃纤维、凯夫拉、碳纤维等复合材料的发展，并且早期复合材料结构的使用预示着复合材料运用的辉煌。
在飞机上翼尖小翼、雷达罩和尾锥上少量玻璃纤维增强塑料的使用标志着飞机设计上复合材料的重新应用。
从那时起复合材料在这些部件上的成功应用导致在每一种新机型上复合材料应用的增加。
波音747使用了超过10000平方英尺表面的复合材料结构。
在过去几年当中先进复合材料技术运用到诸如大翼面板、地板梁等主要结构上[2]。
显而易见对基本复合材料结构和复合材料结构修理技术的理解对航空企业特别是航空维修企业是多么重要。
2 复合材料结构修理技术飞机复合材料的修理目的是最大限度的恢复飞机结构的完整性和安全性，主要修理的效果如何与多种因素有关，如修理后的强度、耐久性、气动平滑度、重量、工作温度、环境因素等[3]，强度主要考虑恢复结构的刚度、静强度和疲劳强度，因此，为了避免修理中出现意外的错误，必须严格按照一定的操作规程进行，一般的修理程序为：找出损伤区域→评估损伤的程度→损伤应力的评估→修理方案设计→修理结构的准备→补丁的制造→补丁的安装→修理后的无损检测。
当今复合材料修理的主要工艺有以下几种：2.1 复合材料的连接和打孔飞机复合材料不同于其他金属或合金材料，由于自身的特点，在修理时容易出现下列问题[4]：复合材料件装配前的钻孔困难，容易磨损钻具，钻孔附近易出现分层现象；复合材料与金属件连接时，由于电位差较大，容易腐蚀金属件；复合材料装配时易造成损伤等，基于这种种原因，必须对打孔和连接工艺做特殊的处理，才能保证复合材料件的安装和修理后的使用安全。
复材叶片在民用航空发动机中的应用
复材叶片在民用航空发动机中的应用随着民用航空飞行的不断发展，航空发动机的技术水平也在不断提高。
为了提高发动机的性能和可靠性，复合材料叶片越来越被广泛应用到现代民用航空发动机中。
1.复合材料的概述复合材料是一种由两种或两种以上的不同材料组合而成的材料。
通常会选取其中一种材料作为基材，并在其表面覆盖上另一种或多种材料，从而形成一个具有很好性能的材料。
由于复合材料具有许多优异的性质和特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。
在航空航天领域中，复合材料的强度、刚度和抗老化性能远高于传统金属材料，而且还可以通过控制复合材料的结构和成分来实现材料的调控。
2.复合材料叶片的优势复合材料叶片相对于传统金属叶片具有以下几个方面的优势：（1）轻质化：复合材料叶片的密度相对较低，可减少发动机的重量并提高载荷，从而提高飞行性能。
（2）高强度：复合材料的优异性能可使其具备较高的强度。
（3）耐腐蚀性：叶片被风吹草动，其表面与风切面相接触的部位，需耐腐蚀，复合材料可以有效地降低叶片的腐蚀率。
（4）良好的阻挡疲劳裂纹扩展性：传统金属材料可能存在裂纹扩展问题，而复合材料叶片的裂纹扩展率比金属叶片更低，这能够带来更高的可靠性。
（5）增加空间：复合材料叶片可以被设计成更细和更有机的形状，这可以通过最大程度地利用空间提高多轮式发动机的性能。
3. 复合材料叶片在民用航空发动机中的应用随着民用航空的不断发展，越来越多的复合材料被应用到发动机中，其中复合材料叶片是一个热门的话题。
复合材料叶片在民用航空发动机中的应用可以从以下几个方面来介绍：（1）高压涡轮叶片高压涡轮是发动机中的一个重要部件，它由许多叶片组成。
由于复合材料叶片具有良好的耐热性能和耐磨性能，因此可以被应用到高压涡轮叶片中。
复合材料叶片可以更好地承受高温环境下的工作，也具有更好的耐磨和耐腐蚀性能，从而延长了叶片的使用寿命。
（2）低压涡轮叶片低压涡轮也是发动机中的一个重要部件，其叶片负责将空气推到发动机的燃烧室内。
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The dome web and tear straps are made from resin infused carbon fabric
The wing box on the 787 is largely constructed utilizing CFRP material. Specifically, the skin panels, stringers, and spars are fabricated using BMS 8-276, form 3, grade 190 tape.
具有可设计性
• 复合材料的性能除了取决于纤维和基体本 身的性能外（内因），在很大程度上还取 决于纤维的含量和铺层方式（外因）。因 此，可以根据构件的实际需要，通过选择 组分材料以及铺层设计对复合材料本身进 行优化设计。例如，承受内压作用的圆筒， 其环向应力是纵向应力的两倍。因此，在 铺层设计时，可以按2:1的比例在环向与纵 向铺设纤维
先进复合材料 (Advanced Composites)
• 指以碳纤维、芳纶纤维、硼纤维或高性能 玻璃纤维等材料为增强材料、以各种树脂 等材料为基体构成的、比强度和比模量较 高的高性能复合材料
复合材料的组成部分
• 基体材料 • 增强材料
1.1.2 复合材料的特性 ——优点
1. 比强度和比模量高 2. 可设计性 3. 抗疲劳性能好 4. 抗腐蚀性能好 5. 减振性能好 6. 电性能好 7. 破损安全性好 8. 成型性能好
2. 飞机结构重量百分比发展趋势
民机结构材料重量百分比发展趋势
• 吸能性能好
– 复合材料的纤维与基体的界面具有较大的吸振 能力，即使产生了振动也会很快衰减下来
电性能好
• 复合材料具有优良的电性能。通过选择不 同的树脂基体、增强材料和辅助材料，可 以将其制成绝缘材料或导电材料。例如， 玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良 的电绝缘性能，并且不受电磁作用，不反 射无线电波，微波透过性能良好。复合材 料通过原材料的选择和适当的成型工艺可 以制成导电复合材料，如金属基复合材料 具有良好的导电和导热性能。
The main torque box is a co-cured BMS8-276 carbon structure that uses a multi-spar design
The main torque box consists of CFRP I stiffened skin panels, BMS8-276 CFRP channel front and rear spars,
抗疲劳性能好
• 疲劳破坏是材料在交变载荷的作用下，由 于裂纹的形成和扩展而产生的低应力破坏。
– 纤维与基体的界面可以使扩展裂纹尖端变钝或 改变方向, 从而能阻止裂纹迅速扩展 – 树脂基复合材料对缺口、应力集中的敏感性小
• 复合材料的抗疲劳性能优于金属材料。大 多数金属材料的疲劳极限是其拉伸强度的 40%~50%，而碳纤维聚酯树脂复合材料的 疲劳极限可达其抗拉强度的70％~80%。
1.1.3 复合材料在现代民用飞机上的 应用发展趋势
1．由次要结构，逐渐向主要结构、复杂受力 结构发展 2．飞机上的用量日益增多 3．在复杂曲面构件上的应用越来越多 4．构件向整体成型、共固化方向发展
1. 飞机结构应用部位发展趋势
应用发展阶段
• 第一阶段——受载不大的次要结构件。如各类接 近口盖、整流罩、起落架/空调舱等非增压边界舱 门、舵面等。对这类结构件，据统计可减重20% 左右。 • 第二阶段——主要结构件。如垂直安定面、水平 安定面、客舱地板梁等。据估计可减重 25%∼30%。 • 第三阶段——复杂受力结构部位。如机身、中央 翼盒、机身增压端框等。据估计可减重30%。
第1章 飞机复合材料结构的识别
1.1 复合材料在现代民用飞机上的应用
1.1.1复合材料的定义
复合材料的定义
• 由两种或两种以上物理和化学性质不同的 材料组分，经人工复合而成后形成的各组 分材料之间具有明显界面、且具有新性能 的材料
常见的复合材料
• • • • • • 土坯：稻草与泥土构成 混凝土：钢筋与水泥、沙石构成 石棉瓦：石棉与水泥构成 轮胎：帘子线与橡胶构成 玻璃钢：玻璃纤维与树脂构成 。。。
破损-安全性好
• 纤维增强复合材料中有大量独立的纤维， 存在多传力路线，当构件有少量纤维断裂 时，其载荷会通过基体受剪传到其他没有 断裂的纤维上
成型性能好
• 容易制成外形复杂的结构件
1.1.2 复合材料的特性 ——缺点
1. 冲击韧性差 2. 层间强度低 3. 环境因素影பைடு நூலகம்较大
冲击韧性差
• 复合材料比较脆，抗冲击载荷能力差，甚 至低能量的冲击也会使材料产生内部损伤
抗腐蚀性能好
• 复合材料具有优良的抗腐蚀性能。很多种 复合材料具有优异的抗酸碱腐蚀能力。例 如，玻璃纤维酚醛树脂复合材料可在含氯 离子的酸性介质中长期使用
减振性能好
• 自振频率高
– 结构的自振频率除了与结构本身形状有关外， 还与材料比模量的平方根成正比。因为复合材 料的比模量高, 所以，其自振频率也高，可以 避免构件在一般工作状态下产生共振。
复材在波音737CL飞机上的应用 （第一阶段）
复材在空客A320飞机上的应用 （第二阶段）
复材在波音777飞机上的应用 （第二阶段）
复材在波音787飞机上的应用 （第三阶段）
The beams are made of CFRP I sections made of BMS 8-276 tape.
比强度和比模量高
• 拉伸强度与密度之比称为比强度；弹性模量与密 度之比称为比模量。 • 比强度和比模量是度量材料承载能力的一个极其 重要的指标。复合材料与金属材料相比，具有高 的比强度和比模量。例如，铝合金的比强度和比 模量分别是0.17和0.26，而碳纤维/环氧树脂复合 材料的比强度和比模量分别是0.63和1.50。因此， 在飞机上采用复合材料结构，可以减轻飞机重量。 一般说来，用复合材料结构代替铝合金结构，可 以减轻20％或更多的重量。
层间强度低
• 复合材料的层间强度低，易产生分层破坏， 降低其承载能力
环境因素
• 除了极高的温度，一般不考虑湿热对金属 强度的影响。但复合材料结构则必须考虑 湿热环境的联合作用。这是因为复合材料 的基体通常为高分子材料，湿热的联合作 用会降低其玻璃化转变温度，从而引起由 基体控制的力学性能，如压缩、剪切等的 明显下降。 • 紫外线影响