復合材料結構設計選材應在滿足設計要求的前提下,根據使用部位，考慮強度、剛度、使用溫度、耐濕熱性能、工藝性、成本、使用經驗、材料來源等綜合因素,擇優考慮。成形方法的選擇應綜合考慮結構的外形尺寸、設計要求、質量要求、制件數量、生產條件和生產成本。結構設計要求對材料和工藝選擇的影響見表5一1。

設計選材的一般原則是:

(1)設計選材應以滿足結構設計要求、低成本為基本點;

(2)應滿足使用環境要求并具有良好的韌性和耐沖擊、耐濕熱、耐浸蝕、耐老化性;

(3)應滿足電磁性能、阻燃、燃燒煙霧毒性等特殊性能要求;

(4)應具有良好的工藝性、機械加工性、可修補性;

(5)應具有與不同材料良好的匹配性;

(6)應具有良好的環境相容性;

(7)優先選用已有使用經驗的材料;

(8)材料品種不宜多,供貨渠道穩定可靠,盡可能立足國內。

在設計選材時,主要考慮的性能包括以下幾個方面。

(1) 先考慮復合材料的使用溫度,根據結構高工作溫度來初步選定樹脂基體類型。環氧樹脂一般工作使用溫度為80~ 120°C ,雙馬樹脂一般工作使用溫度為130~ 180°C。

(2)著重考慮反映缺陷/損傷和環境影響因素的性能。如沖后壓縮強度(CAI)、開口拉伸強度、濕熱環境條件下性能保持率等。

(3)著重考慮與固化工藝有關的參數。如固化溫度、時間、壓力,后處理溫度和時間,對輔助材料的要求等。

(4)考慮與特殊性能要求相關的性能,如滿足電磁性能、阻燃等特殊要求。

(5)采用RTM和RFI工藝成形時, 要選擇專用的樹脂體系。設計選材需要綜合考慮選材原則和性能要求,幾種典型復合材料的特性比較見表5-2。

在復合材料中,樹脂基體的作用是:

(1)支撐增強材料，通過界面剪切應力形式將外載荷傳遞給增強材料;

(2)保護增強材料,以兔受環境侵蝕;

(3)復合材料的橫向性能、壓縮性能、剪切性能、韌性等性能主要取決于樹脂基體;

(4)復合材料的工作溫度、耐濕/熱性能、耐老化性能取決于樹脂基體;

(5)直接影響復合材料制件成形工藝，如黏性、鋪疊性、凝膠時間、預浸料儲存穩定性、固化溫度、固化壓力、固化時間等。在選擇樹脂時,應根據樹脂基體的上述作用綜合考慮其性能。幾種常用樹脂體系性能比較見表5-3。

增強纖維是復合材料中主要的組分材料,結構承載所需力學能力基本上由增強纖維提供。選擇增強纖維時主要考慮的是纖維的拉伸模量、拉伸強度和密度，因而結構設計所要求的比強度和比剛度大小就基本上決定了所選擇的纖維種類。飛機結構上常用的增強纖維有碳纖維、芳綸、玻璃纖維、硼纖維等，其中碳纖維由于性價比較高而應用廣，硼纖維因纖維直徑太粗又剛硬,以致成形加工性不好，加上價格貴昂，因而應用十分有限。飛機結構上常用纖維的性能比較見表5-4

F- 22先進戰術戰斗機是21世紀初美國空軍的主力機種。F-22設計時的復合材料選材分析說明了復合材料在第四代戰斗機上的重要地位及其應用部位。

(1)選用復合材料的考慮

a.由于增加非常規機動性能帶來的減重要求。要求在失速條件下仍能作可控機動飛行的能力,使得F-22采用 佳氣動控制舵面和推矢量噴管新技術，從而使飛機增加重量10%左右。解決增重有效的技術途徑是采用比傳統材料輕17%~19%的輕質高強復合材料。

b.由于隱身要求而引出的對吸波材料、平滑圓角過渡大型連續的整體結構成形工藝的要求。

c.低成本要求。采用復合材料技術具有較大降低成本的空間。

d.F-22樹脂基復合材料的用量由原計劃40%降至25% ,主要原因是機翼上的三根復合材料翼梁在打靶試驗時抗30mm[徑機炮的彈傷能力差,從而改為鈦合金主翼梁與復合材料中間梁的混合式結構。

(2)復合材料構件的選材與分布

F-22 上復合材料不僅用于蒙皮而且用做平尾水平樞軸及翼梁。幾乎所有的蒙皮均采用雙馬來酰亞胺碳纖維復合材料制造。飛機結構的高工作溫度為147°C ,環氧的工作溫度為118*C，而改良的雙馬來酰亞胺工作溫度為149~177°C，韌性好，并具有良好的加工性。

故雙馬來酰亞胺碳纖維復合材料IM7/5250-4用于蒙皮、 肋、梁等結構。溫度較低的進氣道壁板蒙皮采用增韌環氧樹脂復合材料IM7/977-3等;艙門、口蓋等易碰撞處采用熱塑性復合材料;油箱材料選用空心S-2玻璃纖維復合材料 ,它具有較好的抗彈擊能力、防火性能和耐環境性，而且重量比-般的玻璃纖維輕15% ~ 20%。機翼正弦波梁、前機身框架、駕駛艙地板加強件等結構采用了預成形體/RTM工藝成形法制造，蒙皮、平尾水平樞軸等結構采用了纖維鋪放工藝制造。

模具是復合材料成形的關鍵技術之一。碳纖維樹脂基復合材料常用的模具有金屬模具、復合材料模具、木模、橡膠模具等,但應用廣泛的是金屬模具。

碳纖維樹脂基復合材料成形模具的設計一般遵循以下原則。

(1)要脫模方便。盡可能采用凸模設計方案,以便鋪疊和脫模;脫模過程中對制件不能產生損傷;復雜形狀產品應設計成易拼裝拆卸的組合模。

(2)滿足結構件設計的精度。模具尺寸精確，表面光滑、平整、密實、無裂縫、無針眼。

(3)有足夠的強度和剛度。

(4)有足夠的熱穩定性,防止加熱時變形,影響產品質量。

(5)模具熱容量小，以便在熱:壓罐里能均勻升溫。

(6)由于熱膨脹的影響，不能將金屬陰模制成連續封閉的整體,以免在降溫時復合材料在密封的整體模腔內承受巨大的壓應力,導致制件損壞。

(7)重量輕，方便搬運。

(8)模具加工成本低。

成形工藝的選擇原則包括以下幾個方面。

(1 )滿足制件的形狀和尺寸。所選工藝既要滿足構件的形狀尺寸要求，也要滿足結構裝配精度要求。

(2)滿足制件的性能要求。性能要求高的制件，一般采用熱:壓罐成形。

(3)制件數量的多少。數量大的制件應考慮連續生產問題，包括模具的制造和成形工藝。

(4)允許的生產條件，包括現有或新增的場地和設備。

(5)生產成本低，包括場地、設備、模具、人工、檢驗成本。

(6)優先選用有使用經驗的成形工藝方法。常見成形工藝的特點比較見表5-5。

制造人員在明確需成形的結構之后, -般按照以下過程完成方案的實施。

(1)分析設計圖樣

對結構圖樣進行工藝評審,明確技術條件,找出制造中的技術難點。

(2)選擇成形工藝方案

對構件進行工藝分析,確定工藝分離面,選擇適合的成形工藝方案。不同飛機結構的成形工藝分類見表5-6。

(3)設計和制造模具

設計模具,編寫模具制造技術條件,技術條件里明確制造依據、技術要求、驗收狀態。

(4)定購材料

根據結構要求定購材料(包括輔助材料) ,并對材料進行復驗。

(5)編寫鋪層表和制作樣板

分析結構鋪層圖后,編寫每個零件的鋪層表，以利于鋪層準確，方便工藝實施。對形狀復雜的零件要制作樣板,利于下料。

(6)校驗模具

檢查模具的尺寸精度和相關的協調關系。進行模具的工藝試驗，檢查模具氣密性、型面準確性、溫度場均勻性。

(7)編寫工藝規程

根據確定的工藝方法，編寫工藝路線圖,制訂生產計劃。

(8)工藝試驗

根據構件的典型結構，進行工藝試驗,驗證工藝方法和樹脂固化工藝是否可行，并根據試驗結果對工藝規程進行修改完善。

(9)制造

按照工藝路線進行制造，及時了解材料狀況,嚴格遵守工藝規程和生產過程檢驗制度。

(10)檢測

進行無損檢測，進行稱重、測厚、貼模度檢測等。