从上世纪六七十年代以来，先进复合材料在民机上的应用从无到有，从少到多，用量占比越来越大，在波音787、空客A350上的用量占比已经达到甚至超过50%。由于复合材料能带来民机结构的轻量化，并提高其可靠性、使用寿命和效能，因此可以断言，复合材料在民机上的用量占比还会进一步扩大。  

 

　　目前研究重点 

 

　　虽然复合材料在民用飞机上的应用日益广泛，但也存在一定的问题。例如，复合材料部分性能分散性大、损伤容限性能差、材料短缺、价格昂贵、工艺流程耗时长、无损检测和回收困难、缺乏全面的试验数据和分析工具、修理维护技术要求较高等。这些问题限制了复合材料的进一步发展，而金属材料的革新也给复合材料带来了一定的挑战。 

 

　　对于民用飞机来说，最优的方案就是能够在飞机性能和成本之间找到一个平衡点。民用飞机的研制要同时兼顾设计目标和市场目标，但总会有一方占主导。显然，没有大量的研发投入，很难同时实现降低40%成本和30%重量这两个目标。 

 

　　有鉴于此，以下几个领域的研究值得重视： 

 

　　制造技术。提升制造技术是降低成本和提升安全性的关键因素。更高的自动化程度、更好的质量控制、更少的机加成本、更快的回收周期等，都将有效降低制造成本并提高安全性。近年来，自动铺丝工艺、液体成型工艺、非热压罐注塑成型工艺，以及热塑性材料和蜂窝材料自动制造技术的发展及应用，都大大促进了复合材料制造成本的降低。 

 

　　设计分析工具开发及仿真技术。只有对材料和工艺工程有足够深入的了解，才能够制定可行的新方案。否则，单一采用高安全系数，会使复合材料轻质的特点大打折扣，并且增加不必要的成本。高度一体化设计是开发复合材料设计与仿真工具，缩短研发周期、提高结构性能及可靠度的重大挑战。一体化设计需要充分考虑材料和工艺的特点，并且将基本纤维结构、丢层、固化、胶结以及纤维和基体特点等主要影响结构性能的因素都考虑在内。这就要求将复杂纤维结构、丢层工艺、模具、固化与连接等独立的模拟工具集成为一个设计工具，达到降低设计制造成本，同时提高结构性能的目的。 

 

　　材料体系。随着纳米技术的不断发展，越来越多形貌可控、性能优越的纳米材料被应用于复合材料中，大大提高了复合材料的性能。然而，这些纳米技术的可行性和成本问题还制约着实际应用，对于材料的基础研究和工艺性能还有待进一步研究。 

 

　　连接设计技术。连接性能的提升及其制造工艺的简化将大大提升安全性并降低成本。该领域的几个重要研究方向包括：低温粘接技术、基于激光或微波加热的先进固化技术、用于修理的脱粘技术、自动装配技术等。 

 

　　回收技术。随着不断提高的环保要求，飞机的回收在将来会越来越重要，可以使复合材料重新回收利用的材料回收技术是很有吸引力的。例如，通过特定的工艺将复合材料注入模具里，可以提升产品的力学性能或功能性（如电传感性能或热膨胀性能）。   

 

　　多功能化发展   

 

　　近年来，一些新型复合材料受到广泛关注，特别是由碳纳米管、石墨烯、氧化纳米颗粒以及纳米黏土聚合物等形成的复合材料已成为新型材料领域的研究热点。 

 

　　由于飞机的服役环境比较特殊，对新型材料的严格考核是其能够得到有效使用的基本前提。因而，研究材料性能的内在机制并通过分析与试验验证揭示新材料的实际功效，是新材料能否进一步得到实际应用的重要环节。近年来，纳米物理的研究成果和纳米材料增强的大尺度整体结构的成功开发，为多功能性纳米增强复合材料开辟了用于飞机防冰系统和结构健康监测的良好前景。 

 

　　多功能复合材料与结构的发展速度很快，功能性也在不断增强，如可用于超高温服役环境的碳/碳复合材料、用于飞行器天线罩的高强轻质透波复合材料、用于翼面结构的智能材料和结构等等。 

 

　　然而，现有多功能复合材料在满足特殊功能要求的同时，在服役期其单一或多个功能性会有所退化。因而，目前材料与结构研究领域的另一个关注的焦点是多功能性复合材料对于结构损伤容限的影响。尽管服役损伤或离散元损伤对一般复合材料结构完整性的影响效应已经有了大量的研究并且得到了比较好的理解，但多功能性复合材料损伤对飞行安全方面的影响还有待进一步研究与探索。 

 

　　其中有一种特殊情况很值得进一步研究，就是当结构基本保持完整时，多功能性复合材料中与在线服役品质密切相关的功能性已经有所退化。充分研究与透彻理解此类问题是多功能性复合材料与结构应用于飞机结构，以达到提高结构性能和减轻结构重量目的的一个重要前提。 

 

　　智能复合材料与结构不仅能够承受荷载，还可以改善飞机的噪音和排放，提高燃油效率。目前智能材料在飞机结构上的应用研究已不仅仅局限于改善其材料性质，更重要的是其还能够感知内外部环境的变化，并通过改变其物理性能或形状等作出响应，使其可以在飞行任务的不同阶段通过分别地优化使用不同结构组分或元件达到提高性能的目的。 

 

　　因而新型材料与结构领域的一个发展方向是在继续保持整体结构件的构型与性能的前提下，将在特定环境条件下具有优化性能的不同元件用于结构布置中，以提高结构整体性能。 

 

　　此类研究致力于在分析、试验和制造的多个环节上对结构元件或辅助件的性能进行更深层次的开发。以压电材料方面的研究成果为例，现在高性能压电体的高温耐受能力已经提高到400℃，近年来对压电叶片振动阻尼分析和实验技术的持续研究，使得压电材料成功应用在航空喷气发动机复合材料风扇叶片上，并实现了减震阻尼效应，进而进一步减低风扇叶片在运行中承受的动态应力等预期目标。 

 

　　在材料与结构分析方面，研究人员致力于开发、集成并验证以物理机理模型为基础的跨尺度设计分析与优化方法和相应的计算工具。此类研究成果通过建立微观尺度机理与结构性能的联系使得在先进复合材料、高温金属合金和智能材料等方面的研究更为细致深入，不仅为工程与材料科学家继续探索新材料及其应用提供了便利的设计分析手段，也推动了飞机结构上所需要的具有高耐久性等特殊性能的新材料与新结构的进一步开发。 

 

　　目前比较受关注的此类研究包括复合材料结构损伤与疲劳寿命预测技术研究、复合材料闪电致损和电磁防护机理模型研究、高效多尺度的超耐热合金模拟分析研究和粒子改性聚合物的为损伤演化模型研究等。另外，研究人员也正在致力于仿生材料与结构以及超微结构体的研究，并开发了飞机结构上的具有自感应和自修复功能的新材料与新结构。