【深度点评】战斗机用碳纤维的曲折之路

与传统上飞机使用的铝合金相比，复合材料不仅重量轻、强度好、劲度高、还耐热、耐腐蚀，又有很好的抗疲劳性，因此在讲求性能的军用飞机上应该是最受欢迎的材料。

复合材料是由强度较高的纤维（fiber）与强度低但能使纤维维持于一定位置的基体（matrix）材料所组成。纤维使基体的强度增加，而基体又将纤维固结在一起，使各纤维平均分担负载，并保护纤维免于外界的机械性或化学性磨损，二者相得益彰。

复合材料在飞机上的运用早在第二次世界大战时就开始了，当时的飞机雷达罩就是用玻璃纤维强化塑料（Fiberglass-Reinforced Plastic）制造的，但这只是普通的复合材料。

复合材料发展到今天，先进复合材料已成为主流，这种材料主要是由碳纤维（石墨纤维）、硼纤维、陶瓷（ceramic）纤维等，与环氧树脂（epoxy）、聚珗亚胺树脂（polyimide）等基体所组成的复合材料。

先进复合材料的发展，始于20世纪60年代对纤维丝（filament）及积层板（lamina）的研究，当时美国对复合材料的结构零件的设计与制造也不遗余力大力开发，这些努力的成果就是首次应用在F-14生产型水平尾翼上的硼纤维-环氧树脂复合材料蒙皮，与金属件相比，重量减轻18%。

此时复合材料的应用只是作为金属的代用品，用在不承受主要负载的次要结构处，这样既能拥有复合材料的轻重量优点，也比较能得到航空工业界低风险要求的认同。

1958年，美国俄亥俄州克里夫兰市（Cleveland）的帕马技术中心（Parma Technical Center），物理学家贝肯（Roger Bacon）发现了高性能碳纤维。在之后几年里，中心的科学家就开发出一套制造方法，把人造丝（rayon）经由热拉伸（hot-stretching）方式，让碳纤维分子对齐而增加纤维的劲度（stiffness），制造出高模数（high-modulus）的碳纤维。

20世纪60年代中期，日本和英国的研究人员相继开发出不需热拉伸，而是经由氧化再碳化聚丙烯晴纤维，就可制出高强度（high-strength）、高模数的碳纤维。20世纪70至80年代中期，由于碳纤维-环氧树脂在性能和价格上都比硼纤维-环氧树脂优异，所以成为最受欢迎的复合材料原料，被用于F-15、B-1、F-16的生产型结构件上。

1978年，碳纤维复合材料开始用于制造战斗机主结构，如F-18和AV-8B的翼盒（wing box），和金属件比较，这两种翼盒各减轻了11%和17%的重量。

这个时期复合材料在飞机结构上的应用取得了长足的发展，格鲁曼（Grumman）X-29前掠翼验证机、比例复合材料公司（Scaled Composites）不需空中加油就能环球飞行的“航行家”（Voyager）、贝尔-波音V-22“鱼鹰”（Osprey）倾转旋翼机由于特殊的要求，也只有复合材料才能适用。

X-29的机翼蒙皮是由单向性（unidirectional）复合材料预浸布（pre-impregnated）沿不同方向一层层粘贴而成，让机翼结构具有各向异性（anisotropic）特性，以满足气动发散（divergence）和颤震（flutter）的需求。

20世纪90年代，先进复合材料的发展重点是在维持结构性能不变的条件下，降低制造成本。以前的复合材料设计及制造，都只是把复合材料当成金属的替代品。制造出来的零组件仍用固定件（fastener）相互接合，大幅抵销了复合材料轻重量的优点，组装复合材料零件耗费人力较多，也推高了整体成本，因此这个时期的发展重心在于把复合材料的制造及组装成本，降低到低于金属零件的程度。

20世纪90年代初，美国空军研究实验室了解到与传统金属材料比较，先进复合材料虽然具有大幅减轻飞机结构重量的潜力，但航空工业界却不愿使用，仅少量应用于新研制的飞机中。例如在F-22项目初期，预定复合材料使用量会占全机重量的一半，但最后实际使用量只占全机重量的四分之一。虽然美国当时一些其它的战斗机如F-15、F-16、F-18都已有少量使用复合材料的先例，但F-22在考虑复合材料结构的制造成本。

要降低使用复合材料的成本，关键因素就是要降低结构组装成本。军用飞机有着数以千计的结构件，并用数以万计的固定件完成组装，而钻这些固定件孔及安装固定件最耗费人力。如果能以一体成形方式造出结构零件，并以胶结（bond）方法相互接合，结构组装的费用就能大幅度降低。

因此真空辅助树脂转注成模（Vacuum-assisted Resin Transfer Molding）对降低复合材料零件的成本至关重要。

与热压炉工艺比较，此工艺制出的复合材料零件一般会较厚、较重，但可以省去昂贵的大尺寸热压炉设备。

洛克希德公司还在一个验证项目中，不使用热压罐、只使用真空袋（VBO）大气压力制造大型复合材料构建，并制造出一架全复合材料的Do328运输机。

道尼尔的全金属机身，原机身和尾翼有超过3000个零件，而复合材料机身和尾翼的零件数量只有300个。

随着洛马先进复合材料运输机的成功，不需热压炉固化的复合材料结构已能在航空业界立足，未来随着相关技术的持续发展，将会有非常广阔的发展空间。