碳纤维复合材料在航空航天领域相关发展.doc

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碳纤维复合材料在航空航天领域的发展浅析

咱们分航空和航天两个方面，对CFRP的应用，略加介绍。

这篇的很多技术术语，都在前文中介绍过。

您有了那些铺垫，再读下去，会觉得没那么生涩。

还会因为知道了前因后果，感悟得更多一点所谓外行看热闹，内行看门道。

说到应用，国外的料大家尽管爆，国内产品公开的信息不多，因此兵器迷所知有限，只能给大家上个小菜——所有国内资料都来自互联网官方报道和公开出版物，并注明了相关来源。

额来坛子的目的，第一是学习，第二是分享，第三是科普。

一、航空方面的CFRP应用

业内一般认为，碳纤维复合材料在军用航空方面的应用大体上可以分为三个阶段（也有按四个阶段分的，差异不大）。

民机对安全性、经济性、可靠性要求高于军机，因此在应用上更加保守和延后，但也大体追随了军机的步伐。

在此一并介绍。

第一阶段——非承力结构：

20世纪60-70年代：

由于1公斤CFRP可以大体替代3公斤铝合金，性能满足要求，因此开始用于非承力结构，如舱门、前缘、口盖、整流罩等尺寸较小的部件。

对于民机，除了上述应用外，机舱大量的内饰也会用到复合材料，但其中有很多是芳纶或者玻璃纤维复材，这里不赘述。

国内方面：

从难度上说，非承力结构是航空复材的小case，但是应用面却最广泛。

国内在技术上已无大的障碍，基本达到了国外类似的水平，需要的是大规模普及。

相信ARJ21,C919和运20等大平台和众多无人机小平台定型运营后，能够为此提供广阔的应用空间。

这些一般应用，大多用便宜的大丝束产品就够了；而T300以上的产品，贵得离谱，好钢用在刀刃上，于是大多用在承力结构上。

第二阶段——次承力结构：

20世纪70-80年代：

随着力学性能的改善与前期应用的效果提高了人们的信心，CFRP逐步扩展到飞机的次承力结构，即垂尾、平尾、鸭翼、副襟翼舵面等受力较大、尺寸较大的部件。

其中，1971年美国F-14战斗机把纤维增强的环氧树脂复合材料成功应用在平尾上，是复合材料史上的一个里程碑事件。

波音B777也将CFRP应用于垂尾、平尾等多处部件，共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%。

国内方面:

中国将CFRP用于军机的舵面和翼面，也已经开始成熟。

根据《玻璃钢》等杂志的公开报道,早在“六五”期间，沈阳飞机设计所、航空材料研究院和沈阳飞机厂共同研制歼击机复合材料垂尾壁板，比原铝合金结构轻21kg，减重30％。

北京航空工艺研究所研制并生产的QY8911／HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。

歼轰7-A战机采用了CFRP平尾。

2009年建国60周年国防成就展上，报道了歼10在鸭翼、垂尾、襟副翼、腹鳍等所有7个舵面和腹鳍采用了CFRP材料，这与国外这一阶段的发展水平基本相当。

2011年通用航空大会上披露，即将定型的猎鹰L15高教机也采用了复材的机头罩、方向舵和垂尾，其中舵面是CFRP。

在民机方面，ARJ21新支线飞机的复合材料技术水平大体达到了这样一个水平，算是开了个头，但大规模应用尚需时日。

图1国内某机型基于“π”形接头盒段结构成型的CFRP垂直安定面

图2：

猎鹰L15采用了T300CFRP材料制作的尾翼舵面

国内CFRP次承力构件的广泛应用，与T300生产进程密切相关。

材料的国产化，产量的扩大化和价格的低廉化，分别为CFRP次承力构件的应用提供可能性、适用性和经济性。

从而最终推动CFRP次承力构件成为国产军民航空器的标配。

这一阶段的材料和工艺，都是我们用T300和手工铺叠工艺能够达到的，因此未来的发展相对有把握。

但如果制件再大些，承力再大些，就会涉及主承力结构了。

第三阶段，从上世纪80年代至今，随着高性能碳纤维和预浸料-热压罐整体成型工艺的成熟，CFRP逐步进入机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构中。

美国原麦道飞机公司于1976年率先研制了F/A-18的复合材料机翼，把复合材料的用量提高到了13%，成为复合材料史上的又一个重要里程碑。

后期更采用自动铺丝技术为FA-18E/F制造CFRP的12块机身蒙皮，10块进气管蒙皮，4块水平尾翼蒙皮。

F16战斗机BLOCK50之后也开始采用CRPR复合材料机翼。

F22战机的复合材料用量已经提高到结构重量的22%。

目前西方国家军机上复合材料用量约占全机结构重量的20%～50%不等。

民机方面，波音777采用全复合材料尾翼，其翼面及翼盒构件，均采用自动铺带技术制造。

空客A330/A340飞机长9m，宽2m，重200kg的大型蒙皮壁板。

A380的后机身所有蒙皮壁板19段，22%的机身重量是CFRP。

尤其是A380的8*7*2.4米中央翼盒，重8.8吨，CFRP就用了5.5吨，比金属材料减重达1.5吨，其燃料经济性相当可观。

这方面的先行者，是波音公司的B787“梦想”飞机，复合材料应用率50%。

CFRP广泛应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位，同时是第一个同时采用CFRP复合材料机翼和机身的大型商用客机，其23%的机身均使用了自动铺丝机制成的CFRP材料。

最值得关注的，是其机身：

787机身工艺采用直径5.8m的成型模胎安装在一旋转夹具上沿长轴转动，先铺长桁然后铺皮，形成外表光滑的变厚度的壳体以及共固化的桁条组成的机身段，经过热压罐固化后，取下模胎。

这一工艺可以代替由上百块蒙皮壁板、加强筋及长桁、上千个紧固件组成机身的工艺，见下图。

图3：

波音787直径5.8米整体成型CFRP框段

在研机方面，波音公司X-45系列飞机复合材料用量达90%以上，诺斯罗普·格鲁门公司的X-47系列飞机也基本上为全复合材料飞机。

看完波音的系列CFRP主承力结构产品，兵器迷想问问某些网友，凭哪条说美国是产业空心化，只剩下金融和房地产了？

人家居安思危，几句谦虚的自拙之语，被刚进入工业化不久的我们如获至宝般的照单全收，再加以主观放大，作为沾沾自喜的根据，实在不足为取啊。

国内方面

根据中广网的公开报道，2012年12月，中航工业西飞公司向中国商用飞机有限责任公司（简称中国商飞）交付了C919大型客机中央翼、襟翼及运动机构部段，这是C919大型客机七大部段中难度最大、工作量最大的两个部分。

这两个部段尺寸大、结构复杂、外形公差要求高，尤其是国内民机最长尺寸、长达15米的襟翼缘条加工，技术难度非常大。

西飞突破了复合材料大型成型模具设计制造技术、复合材料构件预装配变形控制技术等多项技术难关，整个研制过程全部采用先进的三维数字化设计、传递与制造，中央翼部段除1号肋是金属件外，全部采用了先进的中模高强碳纤维/增韧环氧树脂复合材料制造。

这是国内首次在固定翼飞机最重要的主承力结构件上使用复合材料，代表了中国制造的碳纤维航空复合材料应用的最高水平。

图4国内基于T形接头共固化/胶接一体成型工艺研制的盒段件。

图5国内采用CFRP生产的某机型纵横向加筋机身壁板。

注意，图5的产品仍然面积较小，需要通过机械加工多块拼接形成大型壁板。

而波音787可以整体成型超长超宽的壁板，覆盖在两个大型工艺分离面（核心主框段）之间，如5.8m×7m的47段和4.3m×4.6m的48段CFRP壁板。

我们能做出来786这么大的壁板吗？

回答是：

能。

这位眼睛瞪圆了——那为什么不用呢？

其实，国内C919大飞在一开始，也曾雄心勃勃，想做类似波音787这样的大型整体壁板.但我们的工艺水平不成熟，虽然能做出来，却无法控制批次质量的稳定性.废品率高，成本自然下不来。

C919是商飞啊，不是技术验证机，安全性和经济性都是一票否决，所以琢磨了很久，还是放弃了。

仍然采用分块成型拼接吧。

差强人意,亦属无奈。

为了学习CFRP大型构件整体成型的新技术、新工艺，哈飞复合材料公司与外方合作伙伴一起，共同进行C919的部件开发。

下图6展示的，就是哈飞复材公司参与制造的C919机尾框段——在2.4米的长度内，直径从2米平滑过渡到1.2米，一次整体成型，是目前公开所见国内合作制作的最大体积整体成型CFRP制件。

见图6

图6：

C919机尾76-81框的CFRP整体成型框段

CFRP主承力结构件，对T700,T800等高性能军用碳纤维生产，以及大型复材整体成型技术提出了更高需求。

国内在这两方面又都存在短板甚至空白。

因此大多数应用是探索性，合作性和阶段性的。

在短期内，我们尚无法做到主承力结构CFRP的大规模应用。

对此，正确的态度应当是：

学而时习之。

中国人有差距，不可怕。

咱学，咱追，一定有一天咱超——就像空警2000一样。

可怕的是妄自菲薄和夜郎自大两种极端心态。

这样的心态，距离事实很远;距离成功，那是无限远。

CFRP三个阶段的应用介绍完了，咱们再看看——

直升机、旋翼机、风扇叶片等其他方面

包括CFRP在内的先进复合材料的用量甚至更大。

如V-22鱼鹰倾转旋翼机，其结构的50%由复合材料制成，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等，共用复合材料3000多千克，其中很大一部分是CFRP。

V-22的整体后机身，原由9块手工铺叠的壁板装配构成，后改为自动铺丝工艺整体成型，减少了34％的紧固件，53％的工时，降低了90％废料率。

自动铺丝技术同时应用于储油箱、旋翼整流罩、主起落架舱门。

已经下马的“科曼奇”（RAH-66）共使用复合材料50%，欧洲最新批次的“虎”式武装直升机结构部件的复合材料用量高达80%，接近全复材结构。

国内方面：

2011年国际通用航空大会披露，我国与法国、新加坡合作研制的轻型直升机EC120的机身、垂尾、水平安定面、尾翼、前舱等结构均由CFRP等复合材料制成。

在军机方面，近年来所有的国产直升机旋翼都是多维编制的CFRP复材叶片，金属旋翼叶片已经完全淘汰。

报载：

复材叶片和先进旋翼机构，已经成为中国直升机整体短板下不可多得的优势点，水平基本与国外看齐——歼20、武直10、辽宁号这些平台类的突破固然可喜，而直升机叶片这样长期困境中的点滴进步，也同样令人感动。

既然说起叶片，再唠叨两句航空涡扇发动机。

大家知道，航发的风扇叶片，大多采用钛合金。

金属叶片有一个弱点，就是振动阻尼性能较差，高速旋转时容易震颤，而且不易衰减。

而且如果叶片本身已经有微小裂纹，就会在这种持续震颤中，引发裂纹由内向外快速扩张，在极短时间内造成叶片断裂。

这是一种比共振更加危险的振动现象。

因此，有些风扇就在每个叶片的两侧加一个凸台，专业术语称为“凸肩”。

建国60周年空军成就展上披露，在歼11系列的AL31FN和WS-10A发动机进气口，都有这样的凸肩（见下图）。

这样，叶片全部高速旋转时，各凸肩形连起来成了一个加强环，增加了叶片刚度。

而且，叶片是依次叠加的，每个凸肩“顶”着前面一个叶片，有效降低了阻尼震颤。

但这样做的后果，是凸肩增加了叶片厚度和重量，同时增加了叶片数量，降低了发动机的推重比。

图7：

歼10发动机进气口的凸肩（红圈处）

而CFRP材料制成的风扇叶片，由于纤维多层交叉铺贴，材料本身“各向异性”性能优越，裂纹生长缓慢，再加上振动衰减率比钛合金快5-6倍，因此可以取消叶片凸肩。

2010年珠海航展披露，GE和法国斯奈克玛为C919大飞联合研制的发动机LEAP-X，就采用了CFRP三维碳纤维编织物整体成型的风扇叶片，不但重量减轻了50%，叶片数也减少了一半。

国内发动机风扇叶片，目前只看到涡桨发动机的复合叶片，尚未见到实装涡扇发动机使用CFRP的报道。

2012年珠海航展上的CJ-1000A发动机是我国第一款商用涡扇航空发动机在研产品，据称采用了CFRP宽弦复合大弯掠风扇叶片。

让我们假以时日，拭目以待吧。

在2011年中国国际通用航空大会上，“天弩”、“风刃”等无人机采用了全机结构CFRP材