航空複合材料

20世紀60年代末，高性能碳纖維作為增強纖維實現了初步的商業化，以連續碳纖維增強的高性能樹脂基複合材料應運而生。下文提到的“高性能複合材料”特指這種連續碳纖維增強的樹脂基複合材料。

飛機結構用高性能複合材料技術始於20世紀60~70年代，NASA(美國國家航空航天局)首先制訂了航空複合材料技術發展和飛機服役計劃，以推進和擴大複合材料的航空應用，使用的碳纖維主要以日本Toray公司研製生產的T300為代表，研製發展了受力較小的複合材料結構件如前緣、口蓋、整流罩、方向舵和垂直安定面等，波音(Boeing)公司的波音737飛機擾流片、水平安定面和波音727飛機的升降舵首先實現這類複合承力製件的裝機試用，並制定頒佈了BMS 9 - 8(1977)碳纖維紗和織物的材料標準，揭開了飛機高性能複合材料技術應用的序幕。時間序列上，這時的複合材料稱得上是第一代飛機複合材料。

20世紀70年代末到80年代，高性能複合材料開始成規模地應用於飛機的次承力結構，包括飛行控制面如副翼、升降舵、方向舵和擾流板等，當時的增強纖維材料仍然是Toray/Amoco的T300和Hercules公司的AS4碳纖維等，代表性的複合材料有Narmco公司的T300/5208等。這種複合材料可在177℃環境中使用，主要缺點是吸水性大，在濕熱條件下玻璃化轉變温度、彈性模量及壓縮強度下降嚴重，複合材料90°方向的延伸率小、層間剝離強度低、韌性和耐衝擊性能差，對缺口敏感性大，不能滿足飛機機翼、尾翼和機身等主承力結構的要求。採用這些複合材料的機型包括波音公司的波音757、波音767、波音737-300以及空中客車(Airbus)公司(簡稱空客公司)的A 310、A 320飛機以及麥道公司(現波音公司)的MD - 80系列飛機等。

20世紀90年代，深入的複合材料研究進一步發現，增韌的熱固性樹脂基複合材料的剩餘壓縮強度對大的開口比脆性樹脂基複合材料更敏感，增韌材料對大開口敏感性的增加來源於這種高抗分層能力複合材料中纖維的損傷和基體樹脂的開裂。因此，複合材料的高性能化改進不僅要提高複合材料的分層阻抗，還要提高其損傷容限，並且平衡這兩者的關係。換句話説，就是既要顧及小尺寸損傷(包括大多數衝擊損傷)，也要顧及大尺寸損傷(包括穿透損傷和切斷大開口等)。

到了21世紀的前10年，高性能複合材料飛機應用的兩個劃時代意義的里程碑當數空客公司的A380飛機和波音公司的“夢幻飛機”波音787飛機，其中，在A380上，高性能複合材料用量達到飛機結構用量的25%；而波音787飛機繼續選用Toray公司的Torayca 3900/T800S系列高增韌的環氧樹脂基複合材料作為主承力結構用材，部分選用了Hexcel公司的HexMC 8552高增韌環氧樹脂基複合材料來製造飛機的大窗框，HexPIy8552/AS4被選用來製造大型複合材料發動機罩等。在波音787上，高性能複合材料的用量高達50%。

1984~2009年，民用飛機適航指導性文件FAA AC 20 - 107A《複合材料飛機結構》一直指導着民用飛機複合材料的結構疲勞、損傷容限要求和符合性驗證技術等，2009年，FAA發佈的FAA AC 20 - 107B文件總結了近20年複合材料結構發展和應用的成果和經驗，豐富完善了FAA AC 20 - 107A文件。 ^[2] 

國際標準化組織曾在塑料名詞術語的定義中，把複合材料定義為：“由兩種以上物理和化學上不同的物質組合起來而得到的一種多項體系。”由此可見，複合材料應該是多項體系；而且它們的組合必須有複合效果。

複合材料的含義有兩種：廣義的指由兩個或多個物理相組成的固體材料。例如：纖維增強聚合物、鋼筋混凝土、石棉水泥板、橡膠製品、三合板等。狹義的指用高性能玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維等增強的塑料、金屬和陶瓷材料。 ^[3] 

先進複合材料與傳統金屬材料相比有三個顯著的不同之處 ^[3]  ：

按基體材料類型可分為有機材料基、無機非金屬材料基和金屬基複合材料三大類，按有機材料類型又可分為樹脂基、橡膠基和木質基；按樹脂種類分又有熱固性樹脂基和熱塑性樹脂基；按無機非金屬材料類型可以分為玻璃基、陶瓷基、水泥基和碳基；按陶瓷種類分又有氧化鋁基、氧化鋯基、石英玻璃基等；按金屬種類可以分為鋁基、銅基、鎂基和鈦基等。

按增強體的幾何形狀可以分為顆粒增強型、纖維增強型和板狀複合材料三大類；按顆粒尺寸的大小又可分為彌散增強型和顆粒增強型兩類；按增強纖維的長度可以分為連續纖維增強型和非連續增強型兩大類；而按非連續纖維的長短又有短纖維增強型和晶須增強型之分；按短纖維在複合材料中的排列方式又有隨機排列和定向排列之分；按纖維的種類可以分為玻璃纖維增強、碳纖維增強、芳綸纖維增強、氧化鋁纖維增強、氧化鋯纖維增強、石英纖維增強、鈦酸鉀纖維增強和金屬絲增強等；而按金屬絲的種類又可分為鎢絲、鋁絲、不鏽鋼絲等；按層壓板增強材料的不同可以分為紙纖維層壓板、布纖維層壓板、木質纖維層壓板、石棉纖維層壓板等。 ^[3]