大飞机上复合材料的应用现状
发布时间：2024-05-08 浏览人数：人
从民用飞机的发展历史来看，先进材料的选择及应用是民用飞机不断创新进步的重要力量，也是其占领商用市场的关键技术手段。同时，材料对飞机成本的影响越来越显性化，先进材料在不断推动航空技术革故鼎新，也带来了制造成本的极大提高，需要飞机主制造商更加谨慎地权衡先进性和经济性，更好地接受市场和客户的检验。
一、复合材料概述
从航空历史的发展可见，从第四代飞机开始，以轻质铝合金为主导，辅以钛合金和复合材料，第五代飞机则以复合材料为主导，辅以铝合金和钛合金材料。复合材料在第四代飞机以后获得了越来越广泛的应用，应用范围和前景越来越获得主机制造商的青睐。其中，复合材料中的增强材料以纤维增强在商用飞机领域应用较为广泛。
复合材料通常具有密度低、比模量高、耐腐蚀和易于成型等优点，但也具有层间强度低、冲击敏感、不导电、材料昂贵、寿命短和难回收等不足，如图1所示。
复合材料主要的制造工艺可分为纤维预浸工艺和预成型液体成型工艺两大类，传统的复合材料成型工艺主要有热压罐成型、拉挤成型和缠绕成型等，比较新型的成型工艺有自动铺丝法。预成型液体成型工艺如 RTM，RFI和VARI 等，近年来为了航空领域复合材料制造、研发的重点，主要制造工艺分类如图2所示。
国外大飞机复合材料的应用主要经历了以下四个发展阶段：
（4）主承力结构机翼、机身阶段。在波音和空客主要机型上复合材料用量如图3所示。
其中主流宽体客机 A350 复材用量占比达到了 52%，B787 复材用量占比为 50%，可以预见复合材料在未来新型大飞机上的应用将越来越广泛。
波音公司在民机主承力结构上应用复合材料的尝试始于B777 客机的尾翼，随后在B787 客机上实现了跨越式发展，将应用范围扩大至机翼和机身，最新的B777X 机翼则集成了目前世界上最先进的复合材料制造、装配和检测技术。
波音公司787 项目于2004 年4月启动，B787 客机于2009 年12 月首飞，2011 年9 月首架交付。B787客机是世界上第一款将复合材料应用于机翼和机身主承力结构的大型民机，复合材料单机用量约25t，占全机结构重量的50% 左右。日本东丽公司为B787 客机研发了第三代增韧环氧复合材料T800S/3900–2B，属于经改进的大丝束碳纤维，该材料的冲击后压缩强度值（Compression after impact, CAI）达到了315~345MPa。
B787 客机的机翼展长约60m，由日本三菱重工委托日本新明和工业株式会社研制。机翼壁板为整体的I 型加筋壁板，采用“湿蒙皮+ 干长桁”的共胶接工艺，蒙皮采用预浸料自动铺带（Automated tape laying, ATL）工艺制造。机翼前、后梁长度均约为28m，分别由3 段组成，由人工在阳模上铺贴、热压罐固化成型。B787 客机的机身由6 段筒体组成，每段机身筒体采用纤维自动铺放（Automated fiber placement, AFP）工艺制造，纵向桁条为帽形闭合剖面，与机身蒙皮共固化整体成型，隔框为“C”形剖面框。该机身筒体制造方案减少了约1500个零件和40000~50000 个紧固件。
B777X 客机于2020 年1 月25日首飞。客机采用全复合材料机翼，翼展达到了71.8m，是目前世界上最大的复合材料机翼结构，其代表了当今最先进的复合材料技术水平，使得大型复合材料结构件的制造与装配向着全自动化迈进了一大步。
B777X 机翼蒙皮、长桁和翼梁均采用了AFP 工艺，长达32m 的翼梁不分段整体铺贴成型，大幅减少了零件数量和装配工作量。B777X 机翼壁板和翼梁的制造使用了两套创新的龙门式高速AFP设备。
（1）壁板AFP 设备。12.8m 的主龙门梁上装有20 个盘型卷轴的AFP铺丝头，其重量达1.7t，龙门可以沿着机翼壁板模具移动超过30m，铺丝头可以跨越龙门移动7.5m，能覆盖最宽处达9m 的模具。机翼壁板在置于工作区域内的低曲率阳模中制造，铺丝头在其上做往复运动，20 个卷轴同时输送38mm 宽的预浸带，即一次可铺放760mm 宽的预浸带。
（2）翼梁AFP 设备。装有16 个丝轴的铺丝头，其重量达0.5t，可将12.7mm 的预浸带铺放在“U”形模具上。该系统最快可在10min 内完成超过30m 长的一层预浸带铺放。
空客公司的复合材料应用比例是渐进增长的，从最初在A300 上不足5%，到A310、A300 上约5%，再到A320升至10%，A380 则达到了25%，A400M升至30%，直到A350XWB 的52%。
A380 客机的复合材料用量为25% 左右，应用部位包括了中央翼盒、尾翼、襟翼、副翼、扰流板、机身上壁板、机身地板梁、机身后体球框、整流罩等，其最大设计特点是首次将复合材料应用于中央翼盒，并达到减重1.5t 的效果。A380 客机中央翼盒采用ATL工艺制造，复合材料层板厚度达到50mm 以上，翼身对接区更达到100mm 以上，突破了大厚度复合材料结构的设计、制造和验证技术。
A380 客机的水平尾翼和垂直尾翼同样采用了ATL 工艺，而在后机身和机翼外襟翼上使用了AFP 工艺，后机身压力框采用了树脂模渗透成型（Resin film infusion, RFI）工艺。
图6展示了A380飞机采用复合材料的部件，飞机关键部件如平尾和外侧襟翼均采用了碳纤维复合材料，并采用了自动铺带技术，可见复合材料已经从早期的受力较小的非关键部件逐渐应用到可承受重载荷的关键部件。
中国商用飞机有限责任公司作为国内最大的民机主制造商，在推动复合材料应用于民机结构方面做了诸多尝试。
（1）首架正式投入航线运营的ARJ21 支线客机复合材料用量为2%左右，其方向舵和翼梢小翼采用了碳纤维/ 环氧树脂复合材料，翼身整流罩和机头雷达罩采用了玻璃纤维/环氧树脂复合材料。
（2）2015 年底下线、2017 年首飞的C919 客机，其复合材料用量达到了12%，应用部位包括了水平尾翼、垂直尾翼、翼梢小翼、后机身、雷达罩、副翼、扰流板和翼身整流罩等。C919 客机中央翼盒原计划采用复合材料，但由于缺乏应用及验证经验，为了保证研制进度，最终改为了传统的金属结构。
（3）2015 年12 月，中国商飞北京民用飞机技术研究中心完成了远程宽体客机前期论证项目复合材料机身曲面加筋壁板工艺验证件的研制。该壁板弧长6.05m、航向长度3.5m，由29 根帽形长桁、6 套“C”形隔框和连接角片组成，如图10 所示。帽形长桁采用热隔膜预成型工艺，固化后的干长桁与AFP 工艺铺贴的湿蒙皮共胶接成型。该壁板是国内第一件采用AFP 工艺制备的大尺寸机身曲面壁板，为后续宽体客机型号研制在验证工艺方案可行性和积累工艺参数方面奠定了基础。
国产大飞机上的主承力结构主要采用 T800 级碳纤维/增韧环氧材料，次承力结构主要采用 T300级碳纤维/非增韧环氧材料，此外热塑性复合材料（C929）和 液 体 成 型 材 料（C929 窗 框）也有应用 ，C919飞机和C929飞机复材应用范围如图 14，15所示。
C929飞机复合材料设计、制造与应用均有新突破，其典型应用部位如图17所示。
2018 年底，由中国和俄罗斯联合研制的CR929 攻破关键技术难关，CR929 宽体客机复合材料前机身攻关全尺寸筒段顺利总装下线（图12），该全尺寸筒段长约15m，直径约6m，环向壁板分为4 块，由纵缝拼接而成，最大框弧长约6m。该筒段的研制突破了壁板AFP 工艺、全尺寸级长桁制造和装配等技术难题，是国内首次采用全复合材料设计理念开展的宽体客机机身大部段研制工作。
CR929 远程双通道宽体客机计划在机翼及机身结构上大面积使用复合材料，预计使用比例超过50%。此项目进一步提升了我国复合材料机身研制技术成熟度。
国产大飞的复合材料以热压罐工艺为主 ，高端自动化制造技术已开始应用，技术成熟度和生产效 率还有待提高，还没有全自动专业化生产线 。材料体系与国外民机处于同一水平，随着碳纤维在国产民机上的应用越来越广泛，将逐步带动芯材、结构胶、复合材料半成品等体系的建设和发展 。目前国内已具备的材料体系如图18所示。
综合大飞机的先进性、使用特性、制造技术水平和成本考量等因素，主承力结构使用复合材料已是大势所趋，且向着复合材料结构的整体化、大型化、制造与装配自动化前进。出于经济性的考虑，以液体成型为代表的非热压罐制造工艺以其整体成型、复杂型面成型的能力和低能耗、低成本的优势必将成为飞机主承力结构制造技术的主要发展方向。
先进复合材料作为我国的一项“卡脖子”技术，亟需突破复合材料应用到主承力结构的设计分析、制造装配、试验验证等关键技术，建立符合适航标准的大型民机复合材料主承力结构研制全流程。
[1] 陈勇,吴光辉,钟科林,等.复合材料在大飞机上的应用现状[J].现代交通与冶金材料,2024,4(02):1-7.
[2] 马志阳, 高丽敏, 徐吉峰. 复合材料在大飞机主承力结构上的应用与发展趋势[J]. 航空制造技术, 2021, 64(11): 24–30.
