復合材料的發展和應用(轉貼)

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復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料，它可以發揮各種材料的優點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。由于復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發展。

    隨著科技的發展，樹脂與玻璃纖維在技術上不斷進步，生產廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強復合材料的價格成本已被許多行業接受，但玻纖增強復合材料的強度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強復合材料相繼問世，使高分子復合材料家族更加完備，已經成為眾多產業的必備材料。目前全世界復合材料的年產量已達550多萬噸，年產值達1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價值產品計入，其產值將更為驚人。從全球范圍看，世界復合材料的生產主要集中在歐美和東亞地區。近幾年歐美復合材料產需均持續增長，而亞洲的日本則因經濟不景氣，發展較為緩慢，但中國尤其是中國內地的市場發展迅速。據世界主要復合材料生產商PPG公司統計，2000年歐洲的復合材料全球占有率約為32%，年產量約200萬噸。與此同時，美國復合材料在20世紀90年代年均增長率約為美國GDP增長率的2倍，達到4%~6%。2000年，美國復合材料的年產量達170萬噸左右。特別是汽車用復合材料的迅速增加使得美國汽車在全球市場上重新崛起。亞洲近幾年復合材料的發展情況與政治經濟的整體變化密切相關，各國的占有率變化很大。總體而言，亞洲的復合材料仍將繼續增長，2000年的總產量約為145萬噸，預計2005年總產量將達180萬噸。

    從應用上看，復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設，如衛浴設備等，此類產品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業是復合材料最大的用戶，今后發展潛力仍十分巨大，目前還有許多新技術正在開發中。例如，為降低發動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發動機向高速、增壓、高負荷方向發展的要求，發動機活塞、連桿、軸瓦已開始應用金屬基復合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復合材料將被應用到汽車制造業中。與此同時，隨著近年來人們對環保問題的日益重視，高分子復合材料取代木材方面的應用也得到了進一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產品；而可降解復合材料也成為國內外開發研究的重點。

    另外，納米技術逐漸引起人們的關注，納米復合材料的研究開發也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態及結晶形態發生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時，大大提高了材料的綜合性能。

樹脂基復合材料的增強材料

    樹脂基復合材料采用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。

1、玻璃纖維
  
    目前用于高性能復合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強度玻璃纖維性價比較高，因此增長率也比較快，年增長率達到10%以上。高強度玻璃纖維復合材料不僅應用在軍用方面，近年來民用產品也有廣泛應用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報道的性能優異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強酚醛樹脂可制成各種結構的耐高溫、耐燒蝕的復合材料部件，大量應用于火箭、導彈的防熱材料。迄今為止，我國已經實用化的高性能樹脂基復合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強度玻璃纖維三大增強纖維中，只有高強度玻璃纖維已達到國際先進水平，且擁有自主知識產權，形成了小規模的產業，現階段年產可達500噸。

2、碳纖維

    碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列性能，首先在航空航天領域得到廣泛應用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛采用。據預測，土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領域將會大規模采用工業級碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長率估計為31%，而工業用碳纖維的年增長率估計會達到130%。我國的碳纖維總體水平還比較低，相當于國外七十年代中、末期水平，與國外差距達20年左右。國產碳纖維的主要問題是性能不太穩定且離散系數大、無高性能碳纖維、品種單一、規格不全、連續長度不夠、未經表面處理、價格偏高等。

3、芳綸纖維

    20世紀80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯也先后開展了芳綸纖維的研制開發工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場，年增長速度也達到20%左右。芳綸纖維比強度、比模量較高，因此被廣泛應用于航空航天領域的高性能復合材料零部件（如火箭發動機殼體、飛機發動機艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運輸帶、體育運動器材等。

4、超高分子量聚乙烯纖維

   超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居第一，尤其是它的抗化學試劑侵蝕性能和抗老化性能優良。它還具有優良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來制造艦艇的高頻聲納導流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領域，在汽車制造、船舶制造、醫療器械、體育運動器材等領域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應用前景。該纖維一經問世就引起了世界發達國家的極大興趣和重視。

5、熱固性樹脂基復合材料

    熱固性樹脂基復合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強材料制成的復合材料。環氧樹脂的特點是具有優良的化學穩定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機械強度，廣泛應用于化工、輕工、機械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個領域。1993年世界環氧樹脂生產能力為130萬噸，1996年遞增到143萬噸，1997年為148萬噸，1999年150萬噸，2003年達到180萬噸左右。我國從1975年開始研究環氧樹脂，據不完全統計，目前我國環氧樹脂生產企業約有170多家，總生產能力為50多萬噸，設備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機械強度高、電絕緣性優異、低發煙性和耐酸性優異等特點，因而在復合材料產業的各個領域得到廣泛的應用。1997年全球酚醛樹脂的產量為300萬噸，其中美國為164萬噸。我國的產量為18萬噸，進口4萬噸。乙烯基酯樹脂是20世紀60年代發展起來的一類新型熱固性樹脂，其特點是耐腐蝕性好，耐溶劑性好，機械強度高，延伸率大，與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結性能好，耐疲勞性能好，電性能佳，耐熱老化，固化收縮率低，可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹脂有限公司引進荷蘭Atlac系列強耐腐蝕性乙烯基酯樹脂，已廣泛用于貯罐、容器、管道等，有的品種還能用于防水和熱壓成型。南京聚隆復合材料有限公司、上海新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠家也生產乙烯基酯樹脂。

    1971年以前我國的熱固性樹脂基復合材料工業主要是軍工產品，70年代后開始轉向民用。從1987年起，各地大量引進國外先進技術如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產線及各種牌號的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環氧樹脂（日、德）生產技術；在成型工藝方面，引進了纏繞管、罐生產線、拉擠工藝生產線、SMC生產線、連續制板機組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機、噴射成型技術、樹脂注射成型技術及漁竿生產線等，形成了從研究、設計、生產及原材料配套的完整的工業體系，截止2000年底，我國熱固性樹脂基復合材料生產企業達3000多家，已有51家通過ISO9000質量體系認證，產品品種3000多種，總產量達73萬噸/年，居世界第二位。產品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運輸、造船等工業領域。在建筑方面，有內外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調罩、風機、玻璃鋼水箱、衛生潔具、凈化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及貯罐；在交通運輸方面，汽車上主要有車身、引擎蓋、保險杠等配件，火車上有車廂板、門窗、座椅等，船艇方面主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等；在機械及電器領域如屋頂風機、軸流風機、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產品都具有相當的規模；在航空航天及軍事領域，輕型飛機、尾翼、衛星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破。

熱塑性樹脂基復合材料

    熱塑性樹脂基復合材料是20世紀80年代發展起來的，主要有長纖維增強粒料(LFP)、連續纖維增強預浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性復合材料(GMT)。根據使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著熱塑性樹脂基復合材料技術的不斷成熟以及可回收利用的優勢，該品種的復合材料發展較快，歐美發達國家熱塑性樹脂基復合材料已經占到樹脂基復合材料總量的30%以上。

    高性能熱塑性樹脂基復合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產品有管件（彎頭、三通、法蘭）、閥門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成型管道、GMT模壓制品（如吉普車座椅支架）、汽車踏板、座椅等。玻璃纖維增強聚丙烯在汽車中的應用包括通風和供暖系統、空氣過濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動皮帶保護罩等。

    滑石粉填充的PP具有高剛性、高強度、極好的耐熱老化性能及耐寒性。滑石粉增強PP在車內裝飾方面有著重要的應用，如用作通風系統零部件，儀表盤和自動剎車控制杠等，例如美國HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窩狀結構的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。

    云母復合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩定以及低密度、低價格等特點，利用云母/聚丙烯復合材料可制作汽車儀表盤、前燈保護圈、擋板罩、車門護欄、電機風扇、百葉窗等部件，利用該材料的阻尼性可制作音響零件，利用其屏蔽性可制作蓄電池箱等。

    我國的熱塑性樹脂基復合材料的研究開始于20世紀80年代末期，近十年來取得了快速發展，2000年產量達到12萬噸，約占樹脂基復合材料總產量的17%，，所用的基體材料仍以PP、PA為主，增強材料以玻璃纖維為主，少量為碳纖維，在熱塑性復合材料方面未能有重大突破，與發達國家尚有差距。

我國復合材料的發展潛力和熱點

我國復合材料發展潛力很大，但須處理好以下熱點問題。

1、復合材料創新

    復合材料創新包括復合材料的技術發展、復合材料的工藝發展、復合材料的產品發展和復合材料的應用，具體要抓住樹脂基體發展創新、增強材料發展創新、生產工藝發展創新和產品應用發展創新。到2007年，亞洲占世界復合材料總銷售量的比例將從18%增加到25%，目前亞洲人均消費量僅為0.29kg，而美國為6.8kg，亞洲地區具有極大的增長潛力。

2、聚丙烯腈基纖維發展

    我國碳纖維工業發展緩慢，從CF發展回顧、特點、國內碳纖維發展過程、中國PAN基CF市場概況、特點、“十五”科技攻關情況看，發展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。

3、玻璃纖維結構調整

    我國玻璃纖維70%以上用于增強基材，在國際市場上具有成本優勢，但在品種規格和質量上與先進國家尚有差距，必須改進和發展紗類、機織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復合氈，推進玻纖與玻鋼兩行業密切合作，促進玻璃纖維增強材料的新發展。

4、開發能源、交通用復合材料市場

    一是清潔、可再生能源用復合材料，包括風力發電用復合材料、煙氣脫硫裝置用復合材料、輸變電設備用復合材料和天然氣、氫氣高壓容器；二是汽車、城市軌道交通用復合材料，包括汽車車身、構架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客機用復合材料，主要為碳纖維復合材料。熱塑性復合材料約占10%，主要產品為機翼部件、垂直尾翼、機頭罩等。我國未來20年間需新增支線飛機661架，將形成民航客機的大產業，復合材料可建成新產業與之相配套；四是船艇用復合材料，主要為游艇和漁船，游艇作為高級娛樂耐用消費品在歐美有很大市場，由于我國魚類資源的減少、漁船雖發展緩慢，但復合材料特有的優點仍有發展的空間。

5、纖維復合材料基礎設施應用

    國內外復合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎應用廣泛，與傳統材料相比有很多優點，特別是在橋梁上和在房屋補強、隧道工程以及大型儲倉修補和加固中市場廣闊。

6、復合材料綜合處理與再生

    重點發展物理回收（粉碎回收）、化學回收（熱裂解）和能量回收，加強技術路線、綜合處理技術研究，示范生產線建設，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的應用、在拉擠制品中的應用以及在SMC/BMC模壓制品中的應用和典型產品中的應用。

    21世紀的高性能樹脂基復合材料技術是賦予復合材料自修復性、自分解性、自診斷性、自制功能等為一體的智能化材料。以開發高剛度、高強度、高濕熱環境下使用的復合材料為重點，構筑材料、成型加工、設計、檢查一體化的材料系統。組織系統上將是聯盟和集團化，這將更充分的利用各方面的資源（技術資源、物質資源），緊密聯系各方面的優勢，以推動復合材料工業的進一步發展。

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嘿嘿.我學復合材料的,還有一年畢業了,不知道去哪工作......

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中國的復合材料起始于1958年，首先用于軍工制品，而后逐漸擴展到民用。1958年以手糊工藝研制了玻璃鋼艇，以層壓和卷制工藝研制玻璃鋼板、管和火箭彈，1961年研制成用于遠程火箭的玻璃纖維-酚醛樹脂燒蝕防熱彈頭，1962年引進不飽和聚酯樹脂、噴射成型和蜂窩夾層結構成型技術，并制造了玻璃鋼的直升機螺旋槳葉和風洞葉片，同年開始纖維纏繞工藝研究并生產出一批氧氣瓶等壓力容器。1970年用玻璃鋼蜂窩夾層結構制造了一座直徑44m的雷達罩。自70年代以后玻璃鋼復合材料逐漸轉向民用。1981年復合材料的年產量為1.5萬噸，到1986年達到6.5萬噸，年增長率為13%。1987年以后受到國內原材料品種數量不足的影響，發展曾一度停滯，在此期間，在國家改革開放政策的指導下，大量引進國外先進技術，如在原材料方面引進了池窯拉絲、短切氈、表面氈、噴射紗、纏繞紗以及各種牌號樹脂和輔助材料的生產技術。在成型工藝方面引進了制造管罐的大型纏繞系統、拉擠工藝生產線、SMC生產線、連續制板機組、樹脂傳遞模型機組、噴射成型技術、樹脂注射成型技術等先進工藝和設備，形成了研究、設計、生產及原材料相互配套較完整的工業體系，到1995年國內玻璃鋼產量已達到16.5萬噸，產品近2000種，擁有纏繞生產線120條、SMC生產線31條、BMC生產線5條、拉擠工藝生產線100條，噴射機260臺、RTM70臺、連續制板機組3條，機械化年生產能力達25萬噸。到1996年，玻璃鋼的產品主要有以下幾個方面：
冷卻塔：國內有200余廠家生產冷卻塔，年產20000多臺，保有量為25萬臺，3500～5000t/h大型塔已推廣使用。
纏繞管、罐制品：生產的大型管罐除國內外使用外，還有部分出口。
拉擠制品：主要有抽油桿、格柵、電工梯型材、門窗框以及帳篷支架。
SMC、BMC制品：生產高位水箱組合板、椅子及汽車部件，年產量為5000t。
汽車部件：除用SMC生產的制品外，還有手糊、噴射及RTＭ制品，主要有保險杠、前后車門、轎車、面包車體、擋泥板等，制品除國內使用外還有少量出口。
艦艇：小型的救生艇、輪船、游艇、養殖船等，年產約6～7萬條。
建筑器材：建材是玻璃鋼制品的大宗項目，如玻璃鋼瓦、浴缸、建筑裝飾浮雕、羅馬柱等。
游樂與運動器材：玻璃鋼水上滑梯、碰碰船、公園與幼兒園的動物模型、釣魚桿、賽艇、皮劃艇、槳、雪橇等。環保設施：空調器、風機、吸塵器、凈化槽等。
　　從生產工藝來看，盡管引進了不少先進技術設備，但利用率不高，所有制品仍有80%是手糊成型，僅有20%由纏繞、拉擠、SMC及RTM等設備成型，因此玻璃鋼工業的生產潛力很大。
　　先進復合材料的研究應用主要集中于國防工業。高性能樹脂基復合材料，主要是碳纖維和芳綸纖維增強環氧樹脂，多官能團環氧樹脂和BMI，復合材料的性能穩定，已大量投入應用，相當于T300/PMR-15性能的復合材料已研制成功，一批高性能的熱塑性樹脂基復合材料，如PEEK、PECK、PPS等正在從實驗室走向實用。
　　先進復合材料構件正在由次承力件向主承力件過渡。在成型工藝方面，先進復合材料借助玻璃鋼成型技術逐步實現由手糊到機械化自動化的轉變。但總的水平與國外先進技術還有一定距離。

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樹脂基復合材料（Resin Matrix Composite）也稱纖維增強塑料（Fiber Reinforced Plastics），是上前技術比較成熟且應用最為廣泛的一類復合材料。這種材料是用短切的或連續纖維及其織物增強熱固性或熱塑性樹脂基體，經復合而成。以玻璃纖維作為增強相的樹脂基復合材料在世界范圍內已形成了產業，在我國俗稱玻璃鋼。樹脂基復合材料于1932年在美國出現，1940年以手糊成型制成了玻璃纖維增強聚酯的軍用飛機的雷達罩，其后不久，美國萊特空軍發展中心設計制造了一架以玻璃纖維增強樹脂為機身和機翼的飛機，并于1944年3月在萊特-帕特空軍基地試飛成功。從此纖維增強復合材料開始受到軍界和工程界的注意。第二次世界大戰以后這種材料迅速擴展到民用，風靡一時，發展很快。1946年纖維纏繞成型技術在美國出現，為纖維纏繞壓力容器的制造提供了技術貯備。1949年研究成功玻璃纖維預混料并制出了表面光潔，尺寸、形狀準確的復合材料模壓件。1950年真空袋和壓力袋成型工藝研究成功，并制成直升飛機的螺旋槳。60年代在美國利用纖維纏繞技術，制造出北極星、土星等大型固體火箭發動機的殼體，為航天技術開辟了輕質高強結構的最佳途徑。在此期間，玻璃纖維-聚酯樹脂噴射成型技術得到了應用，使手糊工藝的質量和生產效率大為提高。1961年片狀模塑料（Sheet Molding Compound, 簡稱SMC）在法國問世，利用這種技術可制出大幅面表面光潔，尺寸、形狀穩定的制品，如汽車、船的殼體以及衛生潔具等大型制件，從而更擴大了樹脂基復合材料的應用領域。1963年前后在美、法、日等國先后開發了高產量、大幅寬、連續生產的玻璃纖維復合材料板材生產線，使復合材料制品形成了規模化生產。拉擠成型工藝的研究始于50年代，60年代中期實現了連續化生產，在70年代拉擠技術又有了重大的突破，近年來發展更快。除圓棒狀制品外，還能生產管、箱形、槽形、工字形等復雜截面的型材，并還有環向纏繞纖維以增加型材的側向強度。上前拉擠工藝生產的制品斷面可達76cm×20cm。在70年代樹脂反應注射成型（Reaction Injection Molding, 簡稱RIM）和增強樹脂反應注射成型（Reinforced Reaction Injection Molding, 簡稱RRIM）兩種技術研究成功，進一步改善了手糊工藝，使產品兩面光潔，現已大量用于衛生潔具和汽車的零件生產。1972年美國PPG公司研究成功熱塑性片狀模型料成型技術，1975年投入生產。這種復合材料最大特點是改變了熱固性基體復合材料生產周期長、廢料不能回收問題，并能充分利用塑料加工的技術和設備，因而發展得很快。制造管狀構件的工藝除纏繞成型外，80年代又發展了離心澆鑄成型法，英國曾使用這種工藝生產10m長的復合材料電線桿、大口徑受外壓的管道等。從上述可知，新生產工藝的不斷出現推動著聚合物復合材料工業的發展。

　　進入20世紀70年代，對復合材料的研究發跡了僅僅采用玻璃纖維增強樹脂的局面，人們一方面不斷開辟玻纖-樹脂復合材料的新用途，同時也發現，這類復合材料的比剛度要求很高的尖端技術的要求，因而開發了一批如碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能增強材料，并使用高性能樹脂、金屬與陶瓷為基體，制成先進復合材料（Advanced Composite Materials, 簡稱ACM）。這種先進復合材料具有比玻璃纖維復合材料更好的性能，是用于飛機、火箭、衛星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。

　　自從先進復合材料投入應用以來，有三件值得一提的成果。第一件是美國全部用碳纖維復合材料制成一架八座商用飛機--里爾芳2100號，并試飛成功，這架飛機僅重567kg，它以結構小巧重量輕而稱奇于世。第二件是采用大量先進復合材料制成的哥倫比亞號航天飛機，這架航天飛機用碳纖維/環氧樹脂制作長18.2m、寬4.6m的主貨艙門，用凱芙拉纖維/環氧樹脂制造各種壓力容器，用硼/鋁復合材料制造主機身隔框和翼梁，用碳/碳復合材料制造發動機的噴管和喉襯，發動機組的傳力架全用硼纖維增強鈦合金復合材料制成，被覆在整個機身上的防熱瓦片是耐高溫的陶瓷基復合材料。在這架代表近代最尖端技術成果的航天收音機上使用了樹脂、金屬和陶瓷基復合材料。第三件是在波音-767大型客機上使用了先進復合材料作為主承力結構，這架可載80人的客運飛機使用碳纖維、有機纖維、玻璃纖維增強樹脂以及各種混雜纖維的復合材料制造了機翼前緣、壓力容器、引擎罩等構件，不僅使收音機結構重量減輕，還提高了飛機的各種飛行性能。
復合材料在這幾個飛行器上的成功應用，表明了復合材料的良好性能和技術的成熟，這對于復合材料在重要工程結構上的應用是一個極大的推動