复合材料技术在民用飞机上的应用简述

材料在民用飞机上应用多寡，直接关乎民用飞机的先進性与否。随着我国民用飞机制造事业的兴起，复合材料技术在国际先进民机上的应用可以为我国民用飞机上复合材料的应用提供借鉴和指导。本文着重分析国际先进民机上复合材料的应用，以期进一步加深复合材料在先进民机上应用情况的理解，并为我国民机事业的发展提供思路与借鉴，逐渐提高我国民机先进性，提升竞争力。

关键词： 复合材料，民用飞机，A380，B787

一、引言

我国民用飞机市场份额巨大，据天津民航大学附近滨海国际机场考察每几分钟就有一架飞机起飞或着陆，航空运输已是相当的繁忙！相比于此，国航及东航这些大的民航机场繁忙程度可想而知！我国的航空运输已经进入繁荣发展阶段，航空运输的运输工具—大型飞机的需求与日俱增。据波音公司2006年10月预测，未来20年中国将增添近2900架新的客货新飞机，价值约2800亿美元。而我国天空上飞行的大型民用飞机几乎没有国产的，全部被波音和空客垄断，而未来我国2800亿美元的大型飞机市场价值完全可以买的下两个波音和空客公司（波音的市值不过500亿美元左右）！我们需要发展自己的大型飞机，拥有自己的大型民用飞机，在民用飞机这一高附加值领域占得一席之地，要满足国内市场需求，还要满足国际市场需求；要打破国内市场为国外民机垄断的局面，也要进军国际市场并获得一定市场份额；要结束一亿件衬衫换一架飞机的时代，也要开启自己掌握高端技术的时代。

中国要在民用飞机这一领域占得一席之地，就要有先进的民用飞机。而复合材料的多寡代表了一个型号民机的先进性，也代表了其经济性，更代表其竞争力。复合材料技术在大型飞机上的应用已经是未来飞机制造的趋势，是评判一架飞机是否先进的重要指标，也是客户是否决定购买的一个重要因素。2005年首飞，并已经交付客户的“空中巨无霸”A380飞机复合材料应用已达到25%，2009年首飞的“梦幻飞机”B787复合材料用量达到了50%，而2005年开始研制的A350XWB飞机预计复合材料用量达到52%。可见复合材料的用量已经是评判一架飞机是否先进的重要指标，复合材料的应用已经是一种趋势。我国自主研制的民用飞机也离不开复合材料，也需不断提高复合材料的应用比例，要提高复合材料的比例，就需了解民机的那些地方更适合使用复合材料，更易由易到难的逐渐实现复合材料化。

本文主要阐述以A380和B787为典型代表的复合材料大用量飞机，在具体部位复合材料的使用情况， 以确定民机各个部段使用复合材料的优先次序， 以便为我国民用飞机复合材料的应用提供借鉴和参考。

二、民用飞机复合材料的优点

（1）复合材料比强度高、比刚度高、比模量高、且便于整体结构化。这样可以显著减轻飞机结构重量，相应的减少燃油消耗，降低成本。例如B787整个机身段由若干个复合材料整体成型的整体机身段组成，从而减少了1500个零件和4～5万个连接件，显著减轻了结构重量，大幅度地降低了制造、装配、运营和维护成本，营运中也会降低燃油消耗和排放。

（2）复合材料具有优异的疲劳性能及复合材料性能具有可设计性。例如，基于这两点性能，就可以使机身座舱压差增大， 从而B787把巡航高度定在有利于乘客健康的6000m，（而不是现有一般客机的8000m），同时，加大了机身窗口，使乘客有更大视野。

（3）复合材料不易腐蚀。这允许设计人员增加客舱湿度，解决铝合金易腐蚀、客舱湿度不能提高的难题。例如B787的客舱湿度就要比以往飞机的高，让乘客在空中旅行时，不会觉得太过干燥，增加舒适度。

（4）可以植入健康检测技术。复合材料在铺层的过程中，可以将用于健康检测的部件一起植入，从而达到健康检测的目的。复合材料健康检测技术与优异的疲劳性能和耐腐蚀性一起使飞机可靠性提高， 维修周期延长。

（5）“使用复合材料的最大好处是减轻了结构重量，从而大大减少了油耗和排放，并降低了运营成本”。（摘自：空中客车A380技术和创新广告）

三、复合材料技术在典型民机上的应用

（1）复合材料技术在A380上的应用

A380是空客公司最新研制的超大型客机，载客量550-650人，号称“空中巨无霸”，该机共用复合材料比例达到了结构总重的25%，而成为该机的一大亮点。该机采用的复合材料技术包括：自动铺丝技术（AFP）、自动铺带技术（ATL）、树脂膜浸渗技术（RFI）、树脂模塑技术（RTM）、先进拉挤技术（Pullrusion）及热塑性树脂成型/焊接技术等，如图1。

A380-800飞机上先进复合材料用量最高达30-35t[1]，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飞机机翼固定翼面并未采用复合材料，但外侧襟翼采用了碳纤维增强复合材料（CFRP），ATL技术成型，机翼前缘采用了可以防鸟撞的玻璃纤维增强热塑性复合材料，中央翼盒率先采用了复合材料是新一代大型飞机材料技术的一个亮点，ATL技术成型，襟翼导轨面板采用CFRP材料RTM技术成型，另外，A380扰流板、副翼、发动机舱罩、襟翼滑轨整流罩、起落架舱门均采用复合材料。垂直尾翼和水平尾翼均采用CFRP材料ATL成型。上舱门地板梁采用CFRP拉挤成型，非增压后机身采用CFRP材料AFP成型。后机身承压框采用CFRP材料RFI成型， 6.2m×5.5m，上有泡沫塑料充填的加筋，用RFI（树脂膜浸渗）技术成形，号称世界上最大的RFI整体成形构件。A380上机身还大量应用了Glare层板，共用27块达470 mm2之多，約占结构总重的3%～4%。

（2）复合材料技术在B787上的应用

B787“梦想”飞机是波音公司正在研发的干线客机，其复合材料的用量达到全机结构重量的50% 以上，如图2。由于复合材料的密度小，这意味着：全机主要结构均将采用复合材料制成，从外表面看，除机翼、尾翼前缘（防鸟撞），发动机挂架（防高温）外几乎看不到金属。主要应用部位包括机翼、机身、垂尾、地板梁、部分舱门、整流罩等，甚至还包括了起落架后撑杆、发动机机匣、叶片等部位，各种材料具体应用部位和比例见图3。

B787 的主要结构采用RTM 和RFI 工艺制造，实现了结构的整体化，与全金属结构相比减重大约18t，如B787整体机身的中段和前段结构进行了结构的整体化。另外，整体结构的耐腐蚀、较高的损伤容限以及良好的抗疲劳特性均会为结构件减重带来潜在的效果。

四、结束语

从目前世界上最先进的两款民机上复合材料技术的应用可以看到使用较多的复合材料为碳纤维层压板，其次还有夹心结构、玻纤等。

从用量上来看，两款先进民机都大量采用了复合材料，A380相对比例上低于B787，绝对量上数十吨。

对于运用的部段上，复合材料运用比例较少的A380上主要运用在平尾和垂尾上，机翼上也有一定应用，而B787基本各个部段都采用了复合材料技术，从外观上看基本上可以称为全复合材料飞机或叫做塑料飞机，在机翼这样主承力部段都采用了复合材料技术。

对于我国民用飞机复合材料技术发展起步阶段，可以在垂尾和平尾等部段先采用复合材料结构，随着民用飞机项目的牵引，复合材料技术的发展，日后在机身、机翼等部段逐渐采用复合材料结构，以达到甚至国际最先进水平。

随着我国民用飞机项目的持续发展，复合材料技术必然逐步提升，复合材料用量必然越来越多，我国民用飞机先进性将越来越高，竞争力也将越来越强。

参考文献

[1] 赵稼祥. 碳纤维复合材料在民用航空上的应用[J].高科技纤维与应用，2003，28（3）.

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