【专业讲堂】复合材料是如何为航天工程带来技术革命的？
20世纪60年代，纤维复合材料开始少量用于军用飞机，而70年代开始在民用航空中使用，到了80年代，民用飞机制造商已将复合材料用于各种辅助机翼和尾翼结构件，例如方向舵和机翼后缘板。但是，随着世界上最大的客机-空中客车A380等最新一代客机的问世，这些材料已被广泛应用于主要的承载结构中。A380的机翼使用复合材料，这使每位乘客的燃油消耗比同类飞机低17％。
复合材料（航空航天领域用主要是碳纤维/环氧树脂复合材料）可以提供比金属更好的强度/重量比，有时甚至高达20%。显著的轻量化可使油耗和排放降低，同时由于塑料结构中需要较少的铆接接头，因而提高了空气动力效率和降低制造成本。复合材料首次出现时，航空业自然就受到了这种好处的吸引，但最初是军用飞机制造商抓住机会利用这些好处来提高其产品的速度和机动性。
民用飞机制造商在其机身上采用复合材料技术的速度较慢，原因有两个：严格的民用适航要求阻止了未经验证的材料的应用，并且在1980年代后期燃料价格持平，降低了新兴客机设计对提高燃料效率的需要。然而，现在，凭借工业领域中使用复合材料方面的丰富经验，以及在欧洲范围内降低飞机排放量的背景下，充分发挥这项重要技术的潜力和价值是显而易见的。
碳纤维增强塑料（CFRP）是一种以环氧树脂为基体采用碳纤维进行增强的材料，由于碳纤维优异强度而使CFRP具有很高的结构性能。相比之下，航空级铝合金的极限强度通常为450 MPa（MPa兆帕——应力或压力的单位，一兆帕约为大气压力的10倍），而碳纤维的极限强度为该值的5倍。此外，由于CFRP密度仅为铝的60%，因此在机身应用中减轻重量的潜力也是显而易见的。
作为复合材料增强纤维，也可以采用玻璃纤维、芳纶纤维和硼纤维，但是对于主承重结构，碳纤维在强度和成本上是最佳的组合。除了强度和重量之外，纤维复合材料实际上还可以抵抗“疲劳”。相对较小的金属裂纹会持续增长，正是这种渐进式裂纹现象导致了第一个德哈维兰彗星设计在20世纪50年代喷气机时代的消亡。然而，由于复合材料的结构——它们是非均匀的——裂纹将无法扩展。这意味着结构工程师可以在假定承受更高应力的情况下进行设计和分析，而对设计的结构的长期耐久性的关注则较少。
在飞机结构领域应用时，CFRP通常以单向（UD）产品为主：厚度较薄的（约0.125–0.25 mm厚）薄板或平行纤维带，预先浸渍了尚未固化的树脂。这种材料非常适合在机身结构中广泛使用的薄板的制造。制造商使用铺带机将这种材料一层一层地铺放，形成单件子部件。
通过在不同方向铺设连续的铺层，可以调整构件的强度和刚度，从而以最小的重量获得足够的结构性能。现代的胶带铺带机可以将整个机翼蒙皮制作成一个整体，消除了金属设计中经常使用的紧固件，从而节省了制造成本，并进一步减轻了整体重量。为了完成制造过程，组件在高压釜中固化，然后在高温下对组件施加压力，以将铺层固结并硬化成碳/环氧树脂层压板的整体。
为了从CFRP的使用中获得最大利益，必须将纤维导至主应力方向。例如，飞机的机翼在起飞、着陆和飞行过程中会弯曲，这意味着机翼在整个翼展上都会受到应力的影响。为了支持这一点，工程师将高达60%的纤维沿着机翼蒙皮和翼展内部加强筋进行定向。此外，机翼蒙皮会受到平行应力（称为剪应力）的影响，为了克服这一点，机翼蒙皮的方向为45°。机翼内部的部件，如设计用于承受剪切应力的翼梁和肋，由高达80%的45°层组成。这样，铺设层的方向确保材料体积和重量保持在与足够强度一致的最小值。
从对结构工程师工作的影响来看，CFRP的出现已经带来相当大的影响，他们现在可以有效地选择所用材料的刚度特性。更进一步的是，工程师们还与空气动力学专家合作，探索“气动弹性剪裁”。飞机机翼的设计要知道机翼的形状会影响升力和载荷分布，但升力和载荷分布也会改变机翼的形状。通过采用气动弹性剪裁，结构工程师可以生成机翼设计，使其在荷载增加时发生挠曲，从而减轻内部荷载的增加。CFRP特别适合这种类型的设计，因为通过在特定方向上定向纤维，可以修改层合板的刚度特性，以精确地响应所需的增加的载荷。
上述有关CFRP的描述可能会让人质疑，因为这一切是否都太好，以至于不可能是真的：这种神奇的材料难道没有一些致命的弱点吗？事实上，要实现标题数字所承诺的低重量和低成本仍然存在若干障碍。工程师们正在通过改进设计和新颖的制造工艺逐步克服困难，但目前的发展状况是，所有学科的工程师都在寻找最佳答案。
结构工程师面临着损伤容限和分层的担忧，但与金属相比，他们还必须应对新材料耐受性较差的问题。金属具有良好的可塑性：在高负荷下，它们在断裂前经历永久变形（即弯曲或拉伸）。因此，金属结构可以吸收日常的小冲击（导致凹痕），其基本强度几乎没有降低。可塑性可将高应力区域的载荷重新分配到较低应力区域，确保设计中固有的任何应力集中不会导致过早的结构破坏。相比之下，碳纤维/环氧树脂复合材料几乎没有塑性。
因此，在使用中较小的撞击往往会造成环氧树脂基体的局部破裂，进而导致冲击区域的层压板减弱。此外，复合材料设计中的应力集中会在高载荷下导致结构突然失效。对于类似的金属设计，由于载荷会重新分配，该过程将是渐进的，因为金属可重新分配负载。结构工程师通过在设计时假设应力值比理论上设计时所需的理论值要低得多来克服这种损伤容限的问题，并且他们不得不接受强度计算复杂性的增加，以适应高荷载下CFRP更大的灵敏度。
继空客率先推出A380以及波音787中复合材料用量达到50%后，目前的一些大型飞机开发计划正寻求在机翼和机身内更广泛地使用复合材料。波音787这种革命性的飞机在制造大型无接缝机身部分时，采用了一种新型的“缠绕复合层”工艺，就像缠绕棉线盘一样。
与此同时，下一代军用空运飞机空客A400M也同样拥有碳纤维复合材料制成的机翼。这种飞机被设计用来承受沙漠和田野等非正规着陆带带来的严重载荷，并且得益于碳纤维复合材料优越的抗疲劳性能。
空客A400M作为下一代军用空运飞机，其机翼由碳纤维复合材料制成，而CFRP的应用使得飞机设计中材料的总强度重量比可以提高20%
除这些飞机外，下一代单通道客机将在其机身结构中广泛采用碳纤维复合材料，这种客机在全球机队中随处可见，其有效载荷为100-180名乘客，飞行里程为1000-3000海里。
研究指出，全球温室气体排放量的1.6%来自航空业，但航空旅行的需求将随着我们的收入而增加。为了应对航空业对环境造成的威胁，欧洲航空研究咨询委员会于2002年制定了到2020年将飞机排放的二氧化碳减少50%的目标。
通过广泛使用碳纤维复合材料来减轻机身重量，只是为了达到这样一个具有挑战性的目标而必须采用的一系列技术之一。为了应对复合材料的广泛使用所带来的挑战，英国民用航空航天界发起了下一代复合材料机翼（NGCW）研究计划。航空业所面临的环境障碍，或许是航空业100年历史上所面临的最大障碍，采用CFRP是航空业克服这一障碍计划的一个方面。NGCW计划将使英国航空工业处于这些非常有前途的材料智能应用的前沿。
主要文献来源：Space Applications of Composite Materials