复合材料在大飞机上的应用现状.pdf

2024.3,4（2）|战略与技术前沿复合材料在大飞机上的应用现状陈勇1，吴光辉1，钟科林2，王士浩2（1.中国商用飞机有限责任公司，上海，200126；2.中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海，201210）摘要：复合材料在国内外大飞机上的应用趋于广泛，先进复合材料应用与商用飞机技术发展密不可分，其在推进商用飞机发展和更新换代的同时，复合材料技术和制造装备本身也在不断升级，两者相辅相成。国产大飞机起步较晚，在复合材料应用上基本处于追赶趋势，但是随着国产复合材料的迅速发展，商用大飞机加快实现了关键部件的装机应用，并在发展中不断创新。关键词：商用飞机；复合材料；发展趋势；应用现状Application of composite materials in large aircraftsCHEN Yong1,WU Guanghui1,ZHONG Kelin2,WANG Shihao2（1.Commercial Aircraft Corporation of China，Shanghai 200126，China；2.COMAC Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）Abstract：Composite materials are widely used in large aircrafts at home and abroad，and the application of advanced composite materials is inseparable from the development of commercial aircrafts.While promoting the development and upgrading of commercial aircrafts，composite materials technology and manufacturing equipment are also constantly updating.Chinese large aircrafts started late such that the application of composite materials is basically catching up with the international trend.With the rapid development of composite materials，however，commercial large aircrafts have accelerated the application process of key components，and continue to gain innovation in the development.Key words：commercial aircraft；composite material；development trends；application status引言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1。随着商用飞机的发展和更新换代，钢材用量逐渐减少，铝锂合金用量增加，目前钛合金用量和复合材料用量逐渐增加。1复合材料概述1.1复合材料与飞机发展从航空历史的发展可见，从第四代飞机开始，以中图分类号:V271.1;TB33 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2024）02-0001-07DOI:10.3969/j.issn.2097-017X.2024.02.001收稿日期：2024-02-04第一作者简介：陈勇（1967），男，博士，研究员。研究方向：飞行器设计(包括总体、结构等)。通讯作者简介：吴光辉（1960），男，博士，中国工程院院士，中国商飞公司首席科学家，C919大型客机系列型总设计师。研究方向：飞行器设计（包括总体、结构等）。1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2。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3。1.2复合材料的特点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4，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。典型复合材料的密度、强度和刚度等特性如表1所示。1.3复合材料的制造工艺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5，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，近年来成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。2国外大飞机上的复合材料2.1复合材料应用的发展阶段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2，6：（1）受力很小的前缘、整流罩等部件阶段；（2）受力较小的升降舵、方向舵等部件阶段；（3）受力较大的平尾、垂尾等部件阶段；（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7-10。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。从图 4所示的波音公司复合材料的应用历程可见，从 20世纪 60年代 B747开始，其复材用量占比仅为 1%，到 2000 年 B787 飞机复材用量占比已高达50%，可见复合材料应用呈现与日倶增的趋势。图 5 是空客公司复合材料的应用历程，其明星机型 A320在 20世纪 80年代复合材料用量占比已达10%，到 2000 年 A380 飞机复合材料用量占比已达图 1复合材料的优点和不足Fig.1Advantages and disadvantages of composite materials表 1典型复合材料特性Tab.1Properties of typical composite material物质GFRP（玻纤7781）CRFP（碳纤T800）CRFP（碳纤织物）玻璃纤维Eglass碳纤维T800S密度/（gcm-3）1.81.551.512.61.8强度/MPa393300094434005880比强度（Nmg-1）218193562513083267刚度/GPa20.71507122294比刚度/（kNmg-1）1297478163图 2复合材料制造工艺介绍Fig.2Introduction of manufacturing process for composite material图 3国外客机复合材料应用部件的发展Fig.3Development and application of composite material used on abroad aircraft 2复合材料在大飞机上的应用现状 陈勇 等25%，到 2013 年 A350 远程宽体客机复合材料用量占比高达 52%，其复材的应用发展速度与波音公司不相上下。2.2复合材料应用的范围图 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。典型复材结构在机身上的应用如图 7所示。典型复材结构在机翼上的应用如图 8所示。图 6A380飞机采用复合材料的部件Fig.6Composite components used by A380 aircraft图 4波音公司客机复合材料应用历程11Fig.4Application history of composite materials for Boeing company11图 7典型复合材料在机身上的应用Fig.7Application of typical composite materials on fuselage图 5空客公司客机复合材料应用历程Fig.5Application history of composite materials for Airbus company 32.3主要材料及主要工艺国外大飞机的主承力结构通常采用 T800 级碳纤维/增韧环氧材料，其主要性能如表 2 所示；次承力结构常采用 T300 级碳纤维/非增韧环氧材料，其他材料如热塑性复合材料、液体成型材料等也有应用。大飞机上的复材以热压罐工艺为主12，其低成本制造技术已开始在主承力结构上得到应用，同时自动化制造与检测技术广泛应用，复材专业化、规模化生产极大提高了生产效率和质量稳定性，典型复合材料的效率和成本优势如表 3所示。自动铺放技术主要分为自动铺带和自动铺丝两类13，其中自动铺带技术特别适用于机翼部件的制造14。自动化工艺应用实例如图 9 所示。B787 机翼和中央翼蒙皮采用了 Forest-Line 公司的两步法自动铺带机，A350 机翼上下蒙皮采用了 MTorres公司的龙门式铺带机。自动铺丝技术在 B787和 A350复合材料构件成型过程中最突出的应用是其机身的制造，B777X 机翼蒙皮和 MS21 机翼蒙皮也采用自动铺丝技术，如图 10所示。自动化预成型技术在 B787和 A350上也有应用实例，如图 11所示。液体成型工艺在 MS-21和 A220 飞机上的应用如图 12所示。图 8典型复合材料在机翼上的应用Fig.8Application of typical composite materials on wings表 2国外 T800复合材料主要性能Tab.2Main properties of carbon fiber（T800）composites复合材料T800/39002（B787）IMA/M21E（A350）TX1100/EP2400（MS21）0拉伸强度/MPa2850300028310拉伸模量/GPa1401601601771630压缩强度/MPa1465153012870压缩模量/GPa130150140155140开孔拉伸强度/MPa500530530开孔压缩强度/MPa280290265CAI（30 J）/MPa260280247表 3典型复合材料在效率和成本上的优势Tab.3The efficiency and cost advantages of typical composite materials材料类型ATL预浸料窄带预浸料干纤维带适用零件小曲率壁板类、梁（热隔膜辅助）大曲率壁板、梁大曲率壁板、梁、框铺贴效率20倍手工铺贴8倍手工铺贴8倍手工铺贴其他优势材料成本低材料利用率高，可达 97%与液体成型结合，大幅降低成本图 9自动铺带成型技术应用Fig.9Application of automated tape laying technology 4复合材料在大飞机上的应用现状 陈勇 等2.4复合材料应用的发展趋势随着复合材料在国外大飞机上的应用越来越广泛，其在如下三个方面将逐步提升：纤 维 性 能 的 提 升：从 T800 到 T1100，模 量 从294 GPa 提 升 至 324 GPa、强 度 从 5.9 GPa 提 升 至图 10自动铺丝技术应用Fig.10Application of automated fiber placement technology图 11自动化预成型技术应用实例Fig.11Application example of automatic preforming technology图 12液体成型工艺应用实例Fig.12Application example of hydraulic forming technology 57 GPa；制造工艺的提升：通过以提高生产效率和降低生产成本为目标的制造工艺能力全面提升；新材料新工艺的应用在逐步扩大，如高性能热塑性复合材料、液体成型工艺等。3国产大飞机上的复合材料3.1复合材料应用概述目前，国产大飞机主要有三款，ARJ21 和 C919已经实现航线商业运营，C929 宽体客机正在研发，其基本特点如图 13 所示。ARJ21 飞机复材占比仅为 2%，C919 飞机复材占比达到了 12%，预计 C929飞机的复材占比将达到 51%。中国商飞型号复材应用占比的发展趋势与国外民机基本一致，ARJ21飞机与 B737飞机复材用量占比相当，C919飞机与A320飞机复材用量占比相当，预计 C929 飞机将与 B787 和 A350 飞机复材用量占比相当。3.2应用现状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。C919 飞机复合材料的典型应用部位如图 16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。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，技术成熟度和生图 13国产大飞机主要型号及特点Fig.13Main types and characteristics of large aircraft made in China图 14C919飞机复合材料应用Fig.14The application of composite material for C919图 15C929飞机复合材料应用Fig.15The application of composite material for C929图 16C919飞机复材典型应用部位Fig.16The typical component of composite material application for C919 6复合材料在大飞机上的应用现状 陈勇 等产 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。4结束语开展国产复材应用工作，并解决卡脖子问题迫在眉睫，这是中国商飞型号研制的需求，也是行业发展的需求，更重要的是国家战略发展的需求。通过国产复合材料在商用飞机上的应用，可推动高端材料和设备制造能力提升，增强国产材料和设备的竞争力水平。通过掌握复材和设备制造与应用的核心技术，可推动制造业产业升级，促进国民经济转型发展。国产复合材料应用的目标是建设服务于中国民机产业的复合材料“生态圈”，打造国产复合材料产业链，形成国产材料的鉴定方法、门禁要求和评价体系。参考文献：1 吴光辉.大飞机引领先进材料发展 J.现代交通与冶金材料，2021，1（4）：1-5.2 曹春晓.一代材料技术，一代大型飞机 J 航空学报，2008，29（3）：701-706.3 朱征，黄丽明，刘志武，等.工程材料 M.北京：国防工业出版社，2014.4 常海峰，梁宪珠，孙占红.环氧复合材料整体结构用增强芯材 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