玻璃纤维增强复合材料在航空领域的应用研究进展

Application Research Progress of Glass Fiber Reinforced Composites in Aviation Field

摘要

近年来，玻璃纤维增强复合材料因其轻量化、高强度、耐腐蚀等特性，成为现代飞机设计与制造的核心材料，其在航空领域的应用取得显著进展。文章介绍玻璃纤维增强复合材料在航空内饰件、航空结构件以及在航空发动机领域的应用的最新研究。从轻量化效应与燃油经济性提升、力学性能优化与寿命提升、耐环境性能与成本效益等方面论述玻璃纤维增强复合材料在航空领域的应用优势。最后，从新型玻璃纤维复合材料结构，多尺度增强界面工程，纤维-树脂界面增强技术以及成分混杂设计4个方面提出优化方向。

Abstract

In recent years, glass fiber reinforced composites have become the core material for modern aircraft design and manufacturing due to their lightweight, high strength, corrosion resistance and other characteristics, and their application in the field of aviation has made significant progress. The paper introduces the latest research on the application of glass fiber reinforced composites in aerospace interior parts, aerospace structural parts, and in the field of aero-engine. The advantages of glass fiber reinforced composites in aviation applications are discussed in terms of lightweight effect and fuel economy improvement, mechanical property optimization and life time improvement, environmental resistance and cost effectiveness. Finally, optimization directions are proposed in four aspects: Novel glass fiber reinforced composite structures, multi-scale enhanced interfacial engineering, fiber-resin interfacial strengthening technology, and constituent hybrid design.

关键词

玻璃纤维增强复合材料 / 装备制造 / 航空航天 / 飞机

Key words

Glass fiber reinforced plastics / Equipment manufacturing / Aerospace / Aircraft

玻璃纤维增强复合材料(GFRP)是以玻璃纤维为增强体、聚合物树脂为基体，采用特定工艺复合而成的高性能材料。其核心结构由直径5~25 μm的玻璃纤维(如E-glass、S-glass或高强AR-glass)与环氧树脂、聚酯树脂或乙烯基酯等热固性基体构成，纤维体积分数通常达30%~70%^[1-3]。GFRP展现出比强度超过500 MPa/(g/cm³)、比模量超过25 GPa/(g/cm³)的优异性能，同时兼具耐腐蚀、抗疲劳、低热膨胀系数[(7~12)×10^-6 ℃^-1]及电磁透明性等特性^[4-8]。

在航空领域，GFRP的应用始于20世纪50年代，现已成为减轻结构质量、提升燃油效率的关键材料。以波音787为例，其非主承力结构中GFRP占比达15%，用于整流罩、翼梢小翼等部件，较传统铝合金减重20%~30%。空客A320的舱内地板梁采用GFRP后，单件质量降低40%，耐潮湿环境性能提升显著^[9]。在直升机领域，西科斯基S-92的客舱内饰板使用GFRP蜂窝夹层结构，实现抗冲击性与阻燃性(符合FAR 25.853标准)的平衡。相比碳纤维复合材料(CFRP)，GFRP的原材料成本降低50%~70%，在非主承力部件中具备显著经济性优势。当前，GFRP正与碳纤维形成材料梯度应用体系，推动航空装备向轻量化、长寿命、低成本方向迭代发展^[10-12]。

从物理性能角度分析，GFRP在轻量化、热性能、耐腐蚀以及功能化等方面也具有突出的优势^[13-15]。在轻量化方面，玻璃纤维密度范围1.8~2.1 g/cm³，仅为钢材的1/4，铝合金的2/3^[16]。在高温老化实验中，180 ℃下1 000 h后强度保持率超过85%。而且，GFPR在3.5% NaCl溶液中浸泡1年，强度损失低于5%，而Q235钢已腐蚀失重12%。耐酸性能突出，在10% HCl溶液中30 d，质量变化率低于0.3%，体积膨胀率低于0.15%。经硅烷处理的GFRP试样3 000 h弯曲强度保持率超过90%^[17-18]。

综上所述，GFPR因其独特的性能组合，作为一种高性能航空航天核心材料被广泛应用于飞机的设计与制造中，在现代航空航天工业和技术发展中具有重要战略意义。本文介绍GFPR在航空内饰件、航空结构件以及在航空发动机领域中的最新研究。同时，介绍GFRP在航空领域的应用优势。最后，从新型玻璃纤维复合材料结构，多尺度增强界面工程，纤维-树脂界面增强技术以及成分混杂设计4个方面提出优化方向，旨在为后续GFPR的研究发展提供思路。

1 玻璃纤维复合材料在航空领域的应用

1.1 玻璃纤维复合材料在航空内饰件的应用

GOMEZ-CAMPOS等^[19]采用生命周期评估方法，量化了拟用于飞机内饰部件(如隔板、餐台、行李舱)的特定亚麻纤维复合材料板，并与玻璃纤维/环氧树脂蜂窝芯复合材料的进行对比。利用系统扩展模型，评估亚麻纤维技术织物(作为生物复合材料增强体)生产过程中产生的副产品去向问题。结果表明：生物基板材仍处于原型阶段，从而导致质量增加(14%)，玻璃纤维/环氧树脂蜂窝芯复合材料更具优势。

ZHANG等^[20]采用火焰喷吹工艺将质量分数为83%的玻璃纤维与质量分数为17%的酚醛黏结剂组成超细玻璃纤维毡(密度≤10 kg/m³)，用于增强航空航天领域的隔板隔热性能。结果表明：超细玻璃纤维毡呈现出由致密结构层与连通结构层交替组成的微观特征，通过调控生产工艺参数并优化结构设计，1 000 ℃的高温将确保纤维变得精细，成功制备出用于飞机隔板的超细玻璃纤维毡。

近年来，城市空中交通发展迅速已经成为新一代蓝海赛道。SEOK等^[21]以CFRP、GFRP和GFRP切碎材料为原料，采用高压釜、热压和真空辅助树脂传递模塑(VaRTM)工艺，对飞机座椅模型进行了结构设计，共形成7种纤维增强塑料(FRP)配置方案。结果表明：玻璃纤维增强塑料座椅的质量比铝合金座椅轻30%。

1.2 玻璃纤维复合材料在航空结构件的应用

尽管玻璃纤维增强聚合物材料在民航飞机上得到有效应用，但由于其导电率低，雷击后会发生大面积的烧蚀损伤，极大地威胁民航飞机的安全。SHAN等^[22]建立玻璃纤维增强聚合物材料雷击烧蚀损伤的电热耦合有限元分析模型，并将分析结果与实验结果进行对比，误差率为1.26%，验证了模型的准确性。此外，分析了不同的影响因素，研究了玻璃纤维增强聚合物对碳纤维增强聚合物层压板的防雷特性。结果表明：玻璃纤维增强聚合物材料的抗雷电能力较低，但在其与铝涂层的共同保护下，能够有效减少碳纤维增强聚合物层压板的雷电烧蚀破坏面积。

在飞机复合部件阻燃烧蚀方面，NIE等^[23]利用经过阻燃剂和有机硅改性水性聚氨酯处理的功能性玻璃纤维覆盖了碳纤维增强复合材料。数据显示，经质量分数为8%的有机硅改性水性聚氨酯处理的复合材料总热释放量和总烟雾释放量分别降低18.5%和18.1%，同时拉伸强度和弯曲强度提升47.3%和62.2%。这种性能的优化归因于创新的结构设计，增韧的玻璃纤维保护层既能有效阻隔燃烧过程，又能增强结构完整性。

针对飞机起落架支柱的高强度、轻质复合材料的设计与开发，AHMAD等^[24]提出一种可伸缩主起落架支柱用纤维增强复合材料的选择方法，制备4种不同的纤维增强复合材料。实验表明，S-玻璃纤维/环氧树脂主起落架支柱在一点着陆条件下的质量为15.0 kg，两点着陆条件下的质量为9.9 kg，建议将其用于制造总质量为2 400 kg的飞机主起落架支柱。

NAVANEETHAN等^[25]采用模压成型工艺研究不同浓度氧化锌(ZnO)和氧化铝(Al₂O₃)增强的环氧树脂基编织玻璃纤维复合材料的力学性能。添加质量分数为5%的Al₂O₃和ZnO的玻璃纤维增强复合材料在拉伸、弯曲和冲击等各项力学测试中均表现出优异的综合性能。研究表明，添加质量分数为5%的Al₂O₃和ZnO的玻璃纤维增强材料可用于飞机机翼的生产制造。

在提高玻璃纤维增强材料机械性能，并将其作为飞机机翼的研究工作中，RAMAMURTHY等^[26]制备两组复合材料层合板，并进行性能比较。研究表明，含蛋壳填料的玻璃纤维/黄麻纤维混杂增强复合材料的极限拉伸应力低于不含填料的同类型复合材料。其中，不含蛋壳填料与含蛋壳填料的玻璃纤维/黄麻纤维混杂增强复合材料的最大拉伸载荷分别为14.54、15.80 kN。未来研究可进一步开展压缩强度、剪切强度测试，并通过调整纤维铺层角度对材料进行改性研究，用于飞机机身和机翼成型使用。

考虑到飞机部件的使用年限以及造价成本及带来的环境影响，回收利用部分部件十分必要。RAGUPATHI等^[27]探讨利用功率超声波技术实现玻璃纤维增强热塑性复合材料循环利用的可能性。利用功率超声作用，玻璃纤维层与聚丙烯基体被分层分离后，再次实现材料的重新固结。这种新型的功率超声分离-再固结方法能够在保持纤维束结构完整性的前提下使再生材料保留约75%的原始力学性能，可用于航空结构的重铸。

VENKATESAN等^[28]探究不同黏合剂增强相与黏接外部补片对修复后的玻璃/环氧树脂曲面试件残余强度和抗分层性能的影响。采用纯环氧树脂、短切玻璃纤维和颗粒玻璃纤维作为黏合剂增强相，结合玻璃/凯夫拉混杂补片(HPG/K)、玻璃/碳纤维混杂补片(HPG/C)以及碳/凯夫拉层内混杂补片(IPC/K)三种外部黏接补片，对曲面试件损伤区域进行修复。结果表明：采用短切玻璃纤维增强的HPG/C补片修复曲面试件时，其曲梁强度(CBS)和层间拉伸强度(ILTS)相比去除损伤区域试件恢复率分别为222.87%和149.54%。

飞机部件不仅需要满足一定的力学性能要求，还需要满足轻量化的要求。JUNAEDI等^[29]以碳纤维增强聚合物为面板，采用不同玻璃纤维含量的粉碎玻璃纤维增强硬质聚氨酯泡沫作为芯层结构的夹层材料。通过弯曲试验和压缩试验评估泡沫中玻璃纤维含量对夹层结构力学性能的影响。弯曲试验表明，随着粉碎纤维添加量的增加，载荷、面板应力和芯层剪切应力均呈现提升趋势，在添加质量分数为10%的粉碎玻璃纤维时，能够达到较大增幅，随后开始出现下降。而压缩模量和强度则添加质量分数为20%的粉碎玻璃纤维时达到峰值后开始下降。当粉碎玻璃纤维的质量分数在8%~10%时，弯曲载荷失效类型呈现过渡特征。

在追求飞机部件轻量化的过程中，中空结构极易发生液体渗入问题。XU等^[30]报道一种基于太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术、针对玻璃纤维增强聚合物(GFRP)蜂窝结构内填充水、乙醇和油等液体的快速自动分类方法。提出一种改进的一维卷积神经网络(1D-CNN)模型，并将其与基于一维序列信号的分类网络-长短期记忆(LSTM)和普通1D-CNN模型进行比较。结果表明：对于时域信号，LSTM模型表现较佳；而对于频域信号，改进的1D-CNN模型分类效果较佳。

张升等^[31]以大展弦比机翼为研究对象，基于经典层合板理论和Tsai-Wu失效准则，考虑几何非线性效应，用流固耦合数值模拟方法，重点研究碳/玻纤维混杂比、铺层相对位置、铺层角度对机翼强度及失效特性的影响。研究表明，质量比8∶2为最佳碳/玻璃纤维混杂比，机翼可兼顾高强度、低成本；玻璃纤维铺设在蒙皮对称中面位置时，机翼的强度及安全性更高，玻璃纤维铺设位置的变化不会对机翼的弹性变形产生显著影响；在不同混杂比下，以±45°铺层角度铺设的机翼整体力学性能更稳定，失效概率更低。

PARAMASIVAM等^[32]将空心玻璃颗粒填充的纤维增强复合材料应用于飞机外部部件及其他航天器，探究其在服役温度条件下的性能表现。利用数字图像相关技术(DIC)的应变场分析，揭示不同温度下微观损伤的演变规律：随着温度升高，基体软化导致应变场从均匀分布向非均匀模式转变。实验表明，玻璃微球含量的增加会降低复合材料的拉伸和弯曲性能。

KASI等^[33]研发一种用于飞机隔音板的高冲击载荷的聚合物层压板纤维堆叠技术。采用最大玻璃纤维(尤其是玻璃作为外层)设计的混合堆叠复合材料的拉伸强度和动态力学性能相对较高。玻璃纤维外层因其高强度特性而特别有效地控制应力，减少应力向其他核心层的传递，外层玻璃堆叠麻纤维(S1)复合材料的阻尼值提升最为显著，从而实现了更优异的振动能量耗散。

多旋翼和固定翼无人机(UAV)是最常用的无人机类型。其性能主要取决于集成在无人机中的电子设备以及用于制造无人机的材料，这些性能在机械、空气动力学和其他方面得到本质上的提升^[34-36]。KASKE等^[37]研究飞机从垂直起降(VTOL)到水平飞行的过渡过程，旨在结合多旋翼和固定翼设计的优点，创造一种紧凑、移动的无人飞行系统，最终制备出由玻碳纤维制造的“鸭翼”，完成了这一目标。

孔娜等^[38]以平流层长航时固定翼无人机为依托，研究无人机机翼结构件的成型技术。在保证无人机机翼结构强度、刚度、稳定性的前提下，通过外模压内气压的加压方式并结合热板烘箱加热技术固化成型碳玻纤维复合材料。结果表明：补强后的主梁产品可满足2.5倍额定载荷要求，同时可承受102 N·m的扭矩，其总质量为7.2 kg，前缘产品质量为0.19 kg，实现了机翼结构部件的轻量化。

因此，增强纤维复合材料在飞机领域的使用将会越来越广泛，科学工作者还需要从材料结构以及材料与飞机结构相结合的这两个角度出发，以加强对无人机增强纤维材料的研发。

1.3 玻璃纤维复合材料在航空发动机的应用

GFRP已广泛应用于航空构件以及内饰中，在航空发动机中也应用广泛。JUNG等^[39]针对飞机进气道，制备一种形状记忆合金(SMAs)丝嵌入复合材料的缩比结构。该结构由多根预变形的镍钛合金(Ni-Ti)SMA丝嵌入∩形GFRP中构成，并在室温下固化72 h。向嵌入的SMA丝施加电流可驱动该复合材料，其产生的驱动角度足以构建智能进气道结构。

飞机发动机风扇叶片是发动机的重要组成，而鸟击叶片是航空航天领域普遍关注的问题。YELLA等^[40]针对现有单纤维复合材料叶片存在的分层问题，提出采用双纤维混合材料进行替代，研究的重点是利用叶片级模型对混合复合材料风扇叶片进行鸟击分析。当GFRP的接合区域长度占比达到40%时，在3种冲击位置下均能实现层间剪切应变归一化值的最优水平，表明GFRP对发动机风扇叶片的安全具有重要的作用。

飞机发动机中的光学传感器往往是在恶劣环境中工作的。对此，KTAFI等^[41]根据民航飞机发动机光学传感器的生产要求，提出“玻璃纤维-晶体纳米复合结构”的新设计。在Al₂O₃-SiO₂和ZrO₂-Al₂O₃-SiO₂玻璃双体系中，激光诱导改性区域呈现可随偏振方向定向的层状部分晶化结构。在结构完全消融后，二元60Al₂O₃-40SiO₂(物质的量比)体系仍能在1 650 ℃保持正折射率差。这是首次观测到此类持久性折射率对比现象，为超稳定飞机发动机中的光学传感器生制造开辟了新途径。

2 玻璃纤维增强复合材料在航空领域的应用优势

2.1 轻量化效应与燃油经济性提升

GFRP的密度通常为1.5~2.1 g/cm³，远低于传统金属材料(钢7.8 g/cm³，铝2.7 g/cm³)。其比强度(强度/密度)和比刚度(模量/密度)远高于钢和铝，能够在保证结构强度的同时大幅降低质量。例如，在汽车应用中，使用GFRP替代钢材可减重30%~50%。波音737 MAX方向舵采用GFRP后，单部件减重达32 kg，配合碳纤维复合材料整体减重方案，使整机燃油效率提升14%。空客A320neo垂尾使用GFRP/铝合金混合结构，减重系数达0.78，配合新型发动机实现每座公里油耗降低15%^[42]。实验表明，民用客机每减重1 kg，全寿命周期可节省燃油3 000 L。某型支线客机采用GFRP整流罩后，单机年运营节油量达4.2 t，CO₂减排量13.2 t。GFRP可通过铺层设计(如纤维方向、厚度优化)实现各向异性性能，满足不同部位的力学需求，避免传统金属材料因各向同性导致的冗余质量^[43-44]。例如，在机身部件中可通过局部增强减少材料浪费。研究表明，机身质量每减少10%，燃油效率可提升6%~8%。例如，若采用GFRP将整车质量降低20%，燃油经济性可提高12%~16%。同时，GFRP可通过模压、缠绕等工艺一次成型复杂结构，减少传统金属加工中的铆接、焊接环节，进一步降低零件数量和总质量^[45]。

2.2 力学性能优化与寿命提升

调整纤维的铺层方向(如单向、双向或多轴向编织)，可显著提升复合材料在特定方向上的强度和刚度。实现各向异性设计，满足复杂载荷需求，减少材料冗余，降低成本。例如，采用单向铺层方向，可以使得纤维增强复合材料在纤维方向上具有极高的抗拉强度。GFRP拉伸强度可达1 000~500 MPa(E-glass)，比2024-T3铝合金(450 MPa)提升2~3倍。空客A350XWB货舱门采用GFRP层压结构，极限载荷能力提升40%，疲劳寿命超过10⁶循环。NASA Langley研究中心测试表明，GFRP/环氧体系在湿热条件下(70 ℃/85% RH)的压缩强度保留率(85%)显著优于铝合金(72%)^[42]。在提高GFRP力学性能和寿命性能上还可以采用高性能树脂(如环氧树脂、聚氨酯)或添加纳米填料(如碳纳米管、石墨烯)增强基体韧性，改善界面结合强度。

在近期研究中，研究人员通过添加抗紫外剂、抗氧化剂或采用耐候性树脂(如乙烯基酯树脂)减缓了湿热、紫外线、化学腐蚀等环境因素的影响^[46]。同时，嵌入光纤传感器或微胶囊自修复剂能够实时监测损伤并触发修复，从而实现全天候、全局化、全时刻的GFRP良好状态。

2.3 耐环境性能与成本效益

耐环境性能和成本效益是GFRP用作航空航天设备材料的关键因素之一。在GFRP表面涂覆耐腐蚀涂层(如聚氨酯、氟碳涂料)或采用凝胶涂层以阻隔环境侵蚀^[47]。对复合材料进行真空封装或采用阻隔膜技术，可减少湿气和化学介质的侵入。盐雾试验表明，在同等工况下，GFRP在5 000 h暴露后强度损失仅4.2%，而铝合金结构出现却出现15%的强度衰减。拓扑优化(TP)设计薄壁或中空结构，减少材料用量。采用一体化成型技术(如共固化工艺)减少连接件数量和装配成本，提高使用寿命。适航数据表明，采用GFRP的平尾前缘结构检查间隔延长至12 000 h的飞行时长(金属结构的检查间隔为8 000 h的飞行时长)，全寿命周期维护成本降低41%。自动铺丝技术(AFP)使GFRP构件纤维铺放速度达到30 m/min(传统手糊工艺的15倍)，废料率从35%降至5%。某型通用飞机采用GFRP整体成型座舱盖，模具成本降低40%，装配工时减少62%^[48]。

3 结论

玻璃纤维增强复合材料因其综合性价比高，环境耐受性高以及工艺成熟度高，而被广泛应用于民用航空结构件、发动机以及内饰件。其密度为1.8~2.1 g/cm³，强度可达到800 MPa，成本仅为碳纤维复合材料的1/3~1/5，耐盐雾腐蚀寿命超20年，湿热环境下强度保持率超过85%。因此，GFRP也可广泛用于军用航空的无人机机体和导弹结构。

尽管GFRP具有种种优势，但其强度仅为碳纤维复合材料的1/4，限制其在主承力结构的应用。同时，其在高温下也具有一定的劣势。通用环氧基体玻璃化转变温度多低于180 ℃，难以满足发动机舱等高温区域需求。而且在回收的过程中也充满挑战，传统热固性复合材料难以降解，机械粉碎法回收纤维强度损失达30%~50%。针对上述缺点与不足，本文从新型玻璃纤维复合材料结构，多尺度增强界面工程，纤维-树脂界面增强技术以及成分混杂设计4个方面提出了优化方向。

第一，设计新型玻璃纤维复合材料结构。比如，基于量子化学计算的硅酸盐网络重构机理建立四元体系的分子动力学模型，研究稀土元素掺杂对玻璃相分离行为的影响规律。利用TEM-EELS联用技术揭示Y₂O₃掺杂对纤维表面非晶结构的调控机制，开发出拉伸强度突破4 500 MPa的第三代高强玻璃纤维。

第二，从多尺度增强界面工程入手，对玻璃纤维进行表面处理可以形成化学键，大幅度提高界面黏接强度，改善界面对应力的传递效果，并提供一个可塑界面层，部分消除界面残余应力，同时形成一个防水层，阻止发生脱黏和腐蚀。

第三，从纤维-树脂界面增强技术角度出发，提高整体性能和可靠性。对树脂基体(如环氧、酚醛树脂)的耐热性与韧性进行改进，结合玻璃纤维表面处理技术(如硅烷偶联剂改性)，可提升界面结合强度与耐环境性能。

第四，将玻璃纤维与碳纤维、芳纶纤维的混杂设计在减重与成本间取得平衡，例如空客A350部分次承力结构采用混杂铺层方案。

虽然GFRP存在一定的局限性，但其作为航空复合材料的“入门基石”，在全球航空复合材料用量中仍然占据主要地位。玻璃纤维复合材料仍将成为航空航天工业中的重要组成部分。同时，纤维复合材料的使用率以及回收利用率将得到显著提高。

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基金资助

江苏省高等学校基础科学（自然科学）研究项目(21KJB480013)

扬州工业职业技术学院校级科研团队(YZGYXJTD2021015)