復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)型通用航空飛機(jī)在20世紀(jì)70年代初真正起飛，Burt Rutan非常受歡迎的包括VariEze（以及Long-EZ等衍生品）鴨翼推進(jìn)式飛機(jī)。Rutan的創(chuàng)新之一是使用夾層泡沫作為“工具”，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的“無模”制造。

20世紀(jì)90年代，通用航空開始使用碳纖維復(fù)合材料，并從20世紀(jì)80年代開始慢慢走出低谷。主要的通用航空制造商，如Cirrus Aircraft和Diamond Aircraft Industries，推出了仍然流行的單引擎認(rèn)證飛機(jī)系列。實(shí)驗(yàn)飛機(jī)很快轉(zhuǎn)向了不斷增加的碳纖維含量，而新的輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)（LSA）類別為復(fù)合材料帶來了更多機(jī)會(huì)。

通用航空固定翼飛機(jī)的三大類：認(rèn)證型、實(shí)驗(yàn)型和輕型飛機(jī)，都給復(fù)合材料的應(yīng)用帶來了不同程度的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

經(jīng)過認(rèn)證的飛機(jī)經(jīng)過政府批準(zhǔn)（由美國(guó)聯(lián)邦航空局批準(zhǔn)），需要多年的開發(fā)和測(cè)試來證明設(shè)計(jì)和制造工藝。

實(shí)驗(yàn)飛機(jī)大部分是由個(gè)人根據(jù)計(jì)劃或套件建造的，雖然有一些政府監(jiān)督，但更加寬松，因此對(duì)更多創(chuàng)新持開放態(tài)度。

輕型飛機(jī)是其他兩個(gè)類別之間的橋梁。這些飛機(jī)沒有經(jīng)過嚴(yán)格的認(rèn)證（使用行業(yè)共識(shí)標(biāo)準(zhǔn)而不是政府指令），因此對(duì)更多創(chuàng)新持開放態(tài)度，但通常是制造商制造的，比實(shí)驗(yàn)飛機(jī)具有更多的過程控制。輕型飛機(jī)設(shè)計(jì)在飛機(jī)重量、乘客數(shù)量和速度方面也受到限制，不過有關(guān)部門正在考慮制定新規(guī)則來擴(kuò)大這些限制，并可能增加一個(gè)新類別：輕型個(gè)人飛機(jī)。

通用航空類別的復(fù)合材料和加工各不相同。但從廣義上講，重點(diǎn)是低成本和中等性能，標(biāo)準(zhǔn)的未增韌環(huán)氧樹脂和E-玻璃纖維增強(qiáng)材料非常常見。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)類別，無論是玻璃纖維還是碳纖維，基本濕法鋪層加工歷來占據(jù)主導(dǎo)地位。低粘度、兩部分室溫固化環(huán)氧樹脂以精確的重量比例手工混合，并手動(dòng)鋪在干布上，然后切割成型并鋪在簡(jiǎn)單的工具或成型泡沫上，作為夾層結(jié)構(gòu)的工具。

近年來，真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）等灌注加工變得越來越流行。干織物包括 7781 玻璃纖維和/或2x2碳斜紋布（主要是玻璃纖維和少量碳纖維的混合鋪層很常見），然后將其鋪在帶有增粘劑的模具中并裝袋；低粘度的兩部分環(huán)氧樹脂通過真空被拉入疊層中。像Arion Lightning或DarkAero的DarkAero 1這樣的飛機(jī)正在利用灌注工藝加工排列有序、質(zhì)量更好、纖維體積更大的部件。

DarkAero（美國(guó)威斯康星州）由三名工程師兄弟團(tuán)隊(duì)組成，他們認(rèn)為利用碳纖維改進(jìn)的空氣動(dòng)力學(xué)形狀和卓越的結(jié)構(gòu)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)其雄心勃勃的宏大目標(biāo)，即每小時(shí)275英里巡航超過六個(gè)小時(shí)。

DarkAero 設(shè)計(jì)主要采用平紋絲束編織，在大部分或全部負(fù)載集中在一個(gè)方向的區(qū)域采用單向 （UD） 織物進(jìn)行局部加固。局部剛度由芳綸蜂窩、泡沫或Lantor （Veenendaal，荷蘭）Soric可熔芯混合而成。對(duì)于更小、更復(fù)雜的幾何形狀，例如碳纖維旋轉(zhuǎn)器（螺旋槳前面的錐形部分），DarkAero使用2x2斜紋布，以實(shí)現(xiàn)卓越的懸垂性和舒適性。灌注后，零件在工具上進(jìn)行室溫固化，隨后與粘合組件同時(shí)進(jìn)行后固化。

DarkAero的下部結(jié)構(gòu)采用由4×8英尺大型板材制成的碳纖維織物面夾層板，保持簡(jiǎn)單且低成本。最終的子結(jié)構(gòu)形狀經(jīng)過CNC加工，并在高溫下使用糊狀粘合劑將子組件粘合在一起。固化在烘箱中進(jìn)行；鑒于高壓釜太過昂貴，非高壓滅加工的材料也在不斷改進(jìn)，現(xiàn)在已經(jīng)可以用烤箱加熱的方式替代了。

Lantor Soric不熔芯用在玻璃纖維整流罩上，就在DarkAero 1號(hào)艙蓋的尾部。圖片來源：DarkAero

DarkAer超越了復(fù)合材料應(yīng)用的普通蒙皮和下部結(jié)構(gòu)，甚至飛機(jī)的支架、掛點(diǎn)和曲柄也是通過加工注入的多軸非卷曲碳纖維織物實(shí)心坯料制成的，這使得該公司能夠迅速地構(gòu)建準(zhǔn)各向同性層壓板。

DarkAero認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)和制造高性能單引擎飛機(jī)存在許多挑戰(zhàn)，但正如DarkAero創(chuàng)始人卡爾三兄弟之一的Keegan Karl所說：“了解復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造的細(xì)微差別是解開謎團(tuán)的關(guān)鍵。”

Icon A5 LSA的碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料的中心梁鋪層。圖片來源：Icon Aircraft

Icon選擇復(fù)合材料是因?yàn)樗鼈兪构灸軌蜉p松制造非常復(fù)雜的形狀并且耐腐蝕，后者對(duì)于可能在水上或水周圍度過相當(dāng)長(zhǎng)使用壽命的飛機(jī)來說是一個(gè)非常重要的考慮因素。Icon 輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的95%以上是使用2x2碳纖維斜紋布/環(huán)氧預(yù)浸料制成的，部分區(qū)域使用UD標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維預(yù)浸料來加固高負(fù)載（和高方向負(fù)載）區(qū)域。

為了降低生產(chǎn)成本并提高可重復(fù)性，Icon CNC消減所有鋪設(shè)細(xì)節(jié)，使用激光投影儀和模板在手工鋪設(shè)過程中定位鋪設(shè)工具中的鋪設(shè)，并在手工鋪層過程中使用激光投影儀和模板在工具中定位層。

泡沫芯材經(jīng)過CNC加工，并添加了斜角坡道以方便層過渡。然后可以將其熱成型。復(fù)合材料零件通常采用烤箱固化，但對(duì)于某些高負(fù)載結(jié)構(gòu)（例如翼梁），使用高壓釜來減少孔隙率并獲得理想的質(zhì)量和性能。

盡管飛行條件可能很惡劣，但復(fù)合材料的性能似乎證明了最初設(shè)計(jì)選擇的合理性。Icon的工程總監(jiān)Rodolfo Correa表示，經(jīng)過八年的使用歷史以及幾架飛行時(shí)間超過1000小時(shí)的機(jī)身，粘合接頭或?qū)訅翰考]有出現(xiàn)任何故障。該公司對(duì)結(jié)果非常滿意，除了繼續(xù)提供A5的LSA 型號(hào)外，Icon還開始對(duì)A5進(jìn)行認(rèn)證。

具有高復(fù)合材料含量的第一代通用航空認(rèn)證飛機(jī)（大量生產(chǎn)），如Diamond Katana/DA-20或Cirrus SR20，通常采用E－玻璃，因?yàn)槠涑杀镜颓乙子跈z查，通過簡(jiǎn)單的目視檢查就能發(fā)現(xiàn)大多數(shù)缺陷。

然而，Diamond DA-42或Cirrus SR22等第二代飛機(jī)越來越多地使用碳纖維或S2玻璃，而第三代飛機(jī)，如DA-62、SF50 Vision Jet和Epic的E1000則大部分或全部轉(zhuǎn)向使用碳纖維，以提高其結(jié)構(gòu)效率。

同樣，樹脂系統(tǒng)的趨勢(shì)是選擇性能更高、更堅(jiān)韌且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 （Tg） 更高的環(huán)氧樹脂，以實(shí)現(xiàn)深色涂料并提高抗損壞性。加工過程通常是通過烘箱或高壓釜固化預(yù)浸料的手工鋪層。

Cirrus Aircraft（美國(guó)明尼蘇達(dá)州）系列SR飛機(jī)據(jù)稱是近年來最暢銷的單引擎活塞通用航空飛機(jī)，自20世紀(jì)90年代末問世以來一直采用全復(fù)合材料。雖然該公司最新的復(fù)合材料進(jìn)展尚未公開，但Cirrus與東麗先進(jìn)復(fù)合材料公司建立了長(zhǎng)期合作關(guān)系，使用其BT250環(huán)氧樹脂系統(tǒng)和TC275-1。后者是用于SF50 Vision Jet的275°F固化真空袋（VBO）環(huán)氧預(yù)浸料。加工過程采用傳統(tǒng)的手工鋪層與粘貼粘合組裝。

Diamond Aircraft 設(shè)計(jì)并建造了自己的內(nèi)部按需設(shè)備，用于控制樹脂在干燥織物上的應(yīng)用，以創(chuàng)建“濕預(yù)浸料”。圖片來源：Cirrus Aircraft

Cirrus在全復(fù)合認(rèn)證通用航空市場(chǎng)的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之一是 Diamond Aircraft（奧地利）。憑借其玻璃纖維動(dòng)力滑翔機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，Diamond仍然使用“濕法預(yù)浸料”作為半自動(dòng)化方法來幫助控制濕法敷層樹脂的應(yīng)用。

與Cirrus非常相似，隨著時(shí)間的推移，Diamond在其設(shè)計(jì)中所占的碳纖維比例從早期DA20 C1型號(hào)中的10%（相對(duì)于其余90%為玻璃纖維）增加到DA42中的50%，以及最新的設(shè)計(jì)——DA50 RG和DA62——百分比已完全翻轉(zhuǎn)為90%碳纖維，僅約10%玻璃纖維。Diamond使用了高強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)模量的碳纖維，這提高了材料（和相關(guān)數(shù)據(jù)）的可用性并改善了機(jī)身性能，從而推動(dòng)了其使用的增加。

Diamond 的“濕法預(yù)浸料”工藝可按需生成內(nèi)部預(yù)浸料（或濕法疊層）。干纖維卷通過定制設(shè)計(jì)的設(shè)備運(yùn)行，計(jì)量一定量的低粘度環(huán)氧樹脂以生產(chǎn)濕預(yù)浸料，該預(yù)浸料立即切割成型并鋪設(shè)在模具中。DA20、DA40和DA42中使用的原始樹脂是Momentive（德國(guó)）的L160或L285環(huán)氧樹脂。較新的設(shè)計(jì)（DA42-VI、DA50 RG 和 DA62）因其高Tg而轉(zhuǎn)向Westlake Epoxy的RIM935灌注環(huán)氧樹脂。由于L285的Tg較低，Diamond的早期型號(hào)僅限于大多數(shù)或全白油漆方案；轉(zhuǎn)向RIM935使該公司能夠添加新的、引人注目的配色方案，這些方案通常受到客戶的青睞。

Diamond DA50 RG 右側(cè)機(jī)身的碳纖維/環(huán)氧樹脂“濕預(yù)浸料”疊層。圖片來源：Cirrus Aircraft

濕預(yù)浸料層的處理可能具有挑戰(zhàn)性，有時(shí)甚至有點(diǎn)混亂；Diamond已考慮引入自動(dòng)鋪層技術(shù)，以幫助縮短周期時(shí)間并減輕技術(shù)人員的工作量。Diamond還在其加工系列中添加了樹脂灌注——將其用于對(duì)孔隙率要求更高的零件，例如碳纖維翼梁（出于結(jié)構(gòu)原因）和玻璃纖維天線罩（較低的孔隙率可實(shí)現(xiàn)更好的電磁傳輸，從而轉(zhuǎn)化為更好的雷達(dá)性能）。

Diamond的粘合組件使用剝離層和砂紙進(jìn)行表面處理。粘合層樹脂與天然濕預(yù)浸料相同，但用棉片或微球增稠成糊狀。混合和涂抹全部由手工完成。粘合劑在室溫下固化，然后整個(gè)結(jié)構(gòu)（層壓板和粘合層）接受高溫后固化。

Diamond公司表示，在40年的經(jīng)驗(yàn)中，從未有過飛機(jī)因復(fù)合材料問題而退役。機(jī)身每6,000個(gè)飛行小時(shí)進(jìn)行一次檢查，通常不需要進(jìn)行任何檢查或維修工作。“復(fù)合材料融入了我們的 DNA。”Diamond Aircraft設(shè)計(jì)組織負(fù)責(zé)人Robert Kremnitzer在回顧Diamond產(chǎn)品的超長(zhǎng)使用壽命時(shí)說道。