碳纤维复合材料在民用航空上的应用

前言
      2002年10 - 11月，作者在美国北卡罗来纳州首府洛利( Raleigh，NC)参加了2002年世界碳纤维会( Global Outlook for Carbon Fiber2002)，碳纤维复合材料在民用航空上的应用也是其中议题之一，美国波音公司的SCOTTKRAJCA在会上还就此作了专题报告。会后参观、访问了北卡罗来纳大学国家纺织实验室(State Textile Laboratory, North Carolina StateUniversity)和土木工程系，阿拉巴马大学材料工程系（Departmentof Materials Engineering,Universityof Alabama），乔治亚理工大学复合材料教育研究中 心 ( Compo-site Education and ResearchCenter, Georgia University of Technology) 、 材料科学与工程系和机械工程系等，与有关教授、专家和学者，讨论、交换对碳纤维、复合材料与先进材料技术现状、应用与发展的看法，有很大收获。本文简要介绍碳纤维复合材料在民用航空工业上的应用，包括：从1960年代至今复合材料在世界上大型客机上的应用、当前最先进和超大

型客机的代表，美国波音公司B777和欧洲空中客车公司A380-800飞机上复合材料使用情况以及国外对复合材料在民用航空上应用的看法等，供有关领导和专家们参考。

1、   复合材料在大型民机上的应用

      先进复合材料具有高比强度、高比模量等优点，在飞机上采用先进复合材料可以大幅度减轻机体结构质量、改善气动弹性，提高飞机的综合性能，因此先进复合材料在飞机上的应用不断得到扩大。根据美国复合材料制造商协会统计，2001年世界上飞机生产对碳纤维的需求量约为900-1 000t。

      从大型民用飞机发展来看，美国波音公司第一代大型民用客机B707上没有采用复合材料，复合材料的用量为0。第二代B747上复合材料的用量为2% - 3%，已经有了明显的增长。B757和B767属于第三代大型客机，复合材料的用量增加到3% - 5%。波音公司最新的B777第四代大型客机，采用复合材料达到8-9t，占该机结构质量的g%左右。欧洲空中客车公司生产的超大型客机A380-800可搭乘555名旅客，起飞质量

56t，复合材料的用量高达25%。

       从1960年DC-9飞机到2004年A380-800客机，复合材料在大型民用飞机上的用量根据美国宇航局( NASA)哈里斯(Harris，C．E．)和夏特( Shuart，M．J．)的统计详见表1。 
          

         由表1对复合材料在民用飞机上的应用可得出如下结论：

       (1) 世界上最大、最有影响生产大型民用飞机公司主要有美国波音公司、美国麦克唐纳 道格拉斯公司（简称麦道公司）、美国洛克希德公司和欧洲空中客车公司，因麦道公司已被波音公司兼并，洛克希德公司己退出民用飞机市场，因此，复合材料在民用飞机上的应用，实际上就是看美国波音公司和欧洲空中客车公司在大型民用飞机生产中采用复合材料的水平。

      (2)复合材料在大型民用飞机上的应用不断扩大。随科学技术的发展，复合材料在大型民用飞机上的用量不断增长，从1960年DC9的用量不足1%，1980年代逐步增长到A310的10%左右，而到2003年复合材料在A380的用量高达25%。

      (3)复合材料在大型民用飞机上的应用已接近在先进军用飞机上的应用水平。F22是当前美国最先进的军用飞机之一，复合材料的用量在26%左右。而2003年欧洲空中客车公司生产的A380超大型客机，复合材料的用量也高达25%，表明复合材料在先进军用飞机和先进的大型民用客机上的用量已相当。

     (4)欧洲在大型民用飞机上采用先进复合材料量己大大高于美国。从表1可明显地看出，欧洲空中客车公司生产的大型民用飞机，其复合材料的应用程度比美国要高得多。欧洲空中客车公司，在1985年生产的A300-600，复合材料的用量已经达到5% - 6%，该公司生产的A320、A321、A322等复合材料的用量都达到或超过15%，而A380高达25%。美国波音公司在1990年生产的B747-400，复合材料的用量仅为~2%，1995年生产的B777是美国波音公司生产的大型民用飞机中采用复合材料最高的，复合材料的用量也只有～9%，远远低于同时期欧洲空中客车公司生产大型民用飞机复合材料的采用量。

2、复合材料在美国波音公司B-TT7飞机上的应用

      美国波音公司的B777客机应用复合材料的比例达到9%，是该公司应用复合材料比例最高的民机机种，在B777客机上，先进复合材料主要应用在飞机尾翼、襟翼、副翼、天线罩、整流罩、短舱和地板梁等构件，具体包括：

      (1)垂直安定面翼盒；

      (2)平尾翼盒；

      (3)方向舵；

      (4)升降舵；

      (5)前后缘壁板；

      (6)地板梁70根；

      (7)外侧副翼；

      (8)外侧襟翼；

      (9)襟翼；

      (10)襟副翼；

    （11）整流包皮；

    （12）内外侧扰流板；

      (13)后缘壁板；

      (14)发动机短舱；

      (15)发动机支架整流罩；

      (16)前起落架舱门；

    （17）机身下主起落架舱门；

      (18)固定前缘；

      (19)雷达天线罩等。

      美国波音公司制备碳纤维复合材料的原材料主要采用日本东丽公司的产品，包括：T800H高强中模碳纤维、3900-2增韧环氧树脂等，用T800H高强中模碳纤维增强3900-2增韧环氧树脂的复合材料T800H/3900-2，用于制造B777的主承力构件。S-2玻璃纤维增强环氧树脂用于制作雷达天线罩。玻璃纤维和碳纤维混杂增强环氧树脂用作机身下主起落架舱门和固定前缘。

      美国波音公司认为在波音系列客机中可以进一步采用碳纤维复合材料的主要有：机翼结构与蒙皮、机身（前、后、中）及其蒙皮、压力舱等。是否在下一代新机种上采用碳纤维复合材料要有一系列因素决定，减重绝对不是唯一决定因素，成本才是重要因素，性能和价格要统一考虑。这里必须指出，性能和价格除了通常人们所说的飞机速度、航程、载重等以及原材料价格、制造成本、设备与折旧、工资等等外，还要包括操作性能与费用、维护与费用、市场与销售费用等，所有因素统一折衷平衡。所以全面的性能／价格比才是决定因素。

为了促进复合材料在民用客机上的应用，一是要降低碳纤维复合材料成本；二是提高碳纤维复合材料制备效率；三是改进大型复合材料构件制备工艺技术。

3、 复合材料在欧洲空中客车公司A380-800飞机上的应用

      正在建造中的欧洲空中客车公司A380-800飞机长73m、高24.lm、翼展79.8m，在最经济有效的0.89M飞行速度下，航程1.4×10 m。它是民航飞机中最先进、最具代表性、也是采用复合材料比例最高的机种。A380-800飞机中先进维复合材料用量高达30 -35t，主要是碳／环氧复合材料，也包括GLARE（玻璃纤维增强铝）和玻纤／环氧。此外，还有30t玻纤／酚醛复合材料，用于飞机的内装修。

      A380-800飞机复合材料构件分别由空中客车各分公司和合作伙伴完成。空中客车法国分公司制造中机身，包括中翼盒、机头和驾驶舱。BAE系统公司生产主机翼段。空中客车德国分公司制造机身、前、后机翼（包括玻璃纤维增强铝GLARE的组装）、垂直尾翼和后压力舱壁等。空中客车西班牙分公司制造后机身、水平安定面、腹部整流装置、方向舵和升降舵等。一些复合材料次承力构件由欧洲、美国和日本等国转包合同公司承担。第一架A380-800的制造生产始于2002年1月23日，将最后于2004年在法国吐鲁兹( Toulouse)组装。A380-800的首飞亦将于2004年实施。

      A380-800飞机复合材料构件的尺寸与其他同类飞机相比，无论长度或厚度都超过1倍，除了常规手工铺层／压力釜工艺外，A380-800飞机上采用一系列复合材料先进制备技术，包括：先进纤维铺放技术( AFP)、预浸带自动铺层技术(ATL)、树脂膜浸渗技术(RFI)、树脂传递模技术( RTM)、拉挤(Pultrusion)和热塑性树脂成型／焊接技术。A380-800飞机上采用的碳纤维、预浸料、树脂等原材料详见表2。
       

4、在民用飞机上应用复合材料的看法

      总结归纳国外在民用飞机上应用复合材料的经验和教训，可得到以下的看法：

      (1)复合材料可有效降低飞机结构质量，改进性能，因而随着飞机设计的改进和复合材料技术的进步，复合材料在民用飞机上的应用比例在不断扩大。

      (2)复合材料当前价格相应较高，因此，复合材料在民用飞机上的应用比例不是越高越好，存在价格／性能比问题。目前，应用复合材料比例最高的民机是欧洲空中客车公司A380-800飞机，复合材料用量占结构质量的25%。以当前复合材料的原材料价格和工艺技术水平来看，在民用飞机上的用量不宜超过此比例。

      (3)为了降低复合材料的价格，研究低成本复合材料技术对新一代的民用飞机非常必要，包括：低成本碳纤维制备技术、低成本复合材料制

备和成型技术等。

      (4)碳纤维、碳布、预浸料和基体树脂等复合材料的原材料一方面要求降低价格，另方面还要求保证必要的性能，不能用牺牲性能来换取价格的降低。必须从生产规模、技术方案、技术路线、产品质量等方面改进、提高，从而达到降低价格的目的。

      (5)提高复合材料构件制备质量与效率十分关键，传统的手工铺层／压力釜工艺，生产周期长、质量以难以保证。采用复合材料制备新技术，达到缩短生产周期、提高生产效率、减少废品、提高质量，对扩大复合材料在民用飞机上的应用极为重要。

      (6)民用航空工业是全球性的，因此，复合材料和碳纤维等也必然是全球性的。要着眼世界，从世界范围内考虑复合材料在民用飞机上的应用问题。