引言：为什么航空工业正在全面告别金属时代
在航空航天工程中，有一个始终无法回避的核心变量：重量。
每增加 1 公斤结构重量，都会带来更高的燃油消耗、更低的有效载荷以及更短的航程。正因如此，飞机设计在很长一段时间内被铝合金和钛合金所“定义”——直到复合材料真正成熟。
复合材料通过将增强纤维与树脂基体进行工程化组合，使设计者能够把强度、刚度和耐久性精确布置在受力路径上，而不再承受传统金属材料的重量惩罚。这一能力，彻底改变了飞机结构的设计逻辑。
以 Boeing 787 和 Airbus A350 为代表的新一代民用飞机，其超过 50% 的主承力结构重量来自复合材料。在两代飞机之前，这几乎是不可想象的。
航空航天语境下，什么才是真正的“复合材料”？
在航空领域，复合材料并不是简单的“混合物”，而是一种被设计出来的结构系统，通常由两部分组成：
增强纤维：承担主要载荷（如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维）
基体材料：连接纤维、传递剪切载荷、抵御环境侵蚀（树脂或金属）
与各向同性的金属不同，航空复合材料天生就是各向异性的。
工程师可以通过纤维铺层方向的设计，让材料只在需要的方向上“变强”。
这正是复合材料在重量敏感结构中压倒金属的根本原因。
航空航天中主要使用的复合材料类型
1. 碳纤维增强复合材料（CFRP）
CFRP 是现代航空航天结构的核心材料。
碳纤维具有极高的比强度和比刚度，密度约为 1.6 g/cm³，但强度却远高于铝合金。与环氧树脂或高性能树脂体系结合后，CFRP 结构可实现：
相比铝结构 减重 30–50%
优异的疲劳寿命
天然耐腐蚀性
温度循环下的尺寸稳定性
典型应用包括：
机身蒙皮与框段
机翼盒段、主梁与肋
水平 / 垂直尾翼
无人机与军用机体
风扇机匣、复合材料螺旋桨
787 的整体式复合材料机身筒段，正是 CFRP 结构集成能力的典型代表。
2. 玻璃纤维增强复合材料（GFRP）
玻璃纤维复合材料在性能上不及碳纤维，但在航空中依然不可替代。
其优势在于：
良好的电磁透明性
较高的抗冲击性
明显更低的材料成本
常见应用：
雷达罩（Radome）
天线罩
整流罩与短舱部件
飞机内部结构件
在需要电磁波透过性的部位，玻璃纤维仍是唯一合理选择。
3. 芳纶纤维复合材料（Kevlar 类）
芳纶纤维以极高的比韧性和抗冲击能力著称，密度低，非常适合吸能结构。
航空应用场景包括：
发动机进气道衬里
防弹与防碎片结构
货舱内衬
军机防护部件
例如 F-35 中就大量采用了三维编织芳纶结构，用于提升生存性。
局限性：抗压性能较弱，加工难度高。
4. 混杂复合材料与夹层结构
航空工程中，很少只追求“单一性能极值”。
常见混杂策略包括：
碳 / 玻璃混杂：兼顾刚度与损伤容限
碳 / 芳纶混杂：提高抗冲击能力
碳纤维蒙皮 + 蜂窝 / 泡沫芯材
夹层结构被广泛用于：
地板系统
操纵面
内饰结构
其特点是：极高的弯曲刚度 / 重量比。
5. 陶瓷基复合材料（CMC）
CMC 是航空发动机热端的“游戏规则改变者”。
通过陶瓷纤维增强陶瓷基体（如 SiC/SiC），CMC 同时具备：
1200–1400 ℃ 以上的工作温度能力
显著低于高温合金的密度
更低的冷却气需求
应用包括：
涡轮护环
燃烧室衬套
喷口结构
热防护系统
更高的工作温度意味着更高的发动机效率。
6. 金属基复合材料（MMC）
MMC 介于金属与聚合物复合材料之间。
通过在铝、钛或镁中引入陶瓷增强体，可显著提升：
刚度
耐磨性
热稳定性
应用包括：
压气机部件
热管理结构
精密光学支撑件
复合材料基体系统：真正的“幕后核心”
热固性基体
环氧（最常见）
BMI（高温）
聚酰亚胺（极端环境）
酚醛（阻燃内饰）
性能稳定，但回收困难。
热塑性基体
PEEK / PEKK / PPS / PEI
可焊接
抗冲击性强
具备回收潜力
正在成为下一代机体结构的重要方向。
复合材料在飞机中的典型应用部位
主承力结构
机身
机翼
尾翼
次承力结构
整流罩
舱门
操纵面
内饰结构
地板梁
行李架
舱壁
发动机与短舱
风扇机匣
声学衬里
复合材料叶片
CMC 热端部件
相比金属，复合材料带来的核心优势
大幅减重
卓越的疲劳性能
天然耐腐蚀
可定向设计刚度
零件数量显著减少
更低的运营成本
现实挑战与工程限制
复合材料并非“完美材料”：
冲击损伤不易可视化
维修流程复杂
紫外与湿热环境影响
热固性材料回收难
材料与认证成本高
这些因素决定了复合材料的应用边界与工艺选择。
航空复合材料的未来趋势
热塑性机体结构
OOA（非高压釜）制造
自动铺丝（AFP / ATL）
回收碳纤维应用
结构健康监测（SHM）
多功能复合材料
结语
复合材料已经从“可选方案”，变成了航空航天结构设计的基础材料体系。
从碳纤维机身到陶瓷基发动机部件，复合材料正在重新定义飞机的性能上限，也将在未来几十年持续主导航空工程的发展方向。
苏ICP备2022047254号
