民用航空和先进复合材料.pdf

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1、民用航空和先进复合材料赵稼祥（航天材料及工艺研究所，北京 100076）摘 要:介绍民用航空发展和先进复合材料的关系，包括民用飞机的发展和复合材料应用的增长，在B787和A380飞机上先进复合材料采用情况，民用航空对碳纤维的要求以及对材料工艺和质量的要求，指出民用航空应用先进复合材料要注意的问题和下一步发展方向。关键词:民用航空；先进复合材料；碳纤维中图分类号:V258 文献标识码:A 文章编号:1007-9815（2007）02-0006-05收稿日期:2007-04-08作者简介:赵稼祥（1933-），男，上海人，研究员，长期从事军用新材料发展战略和高性能纤维及其先进复合材料应用的研究，(

2、电话)010-68383325(电子信箱)。前 言民用航空要求效率、经济性、舒适性和便利性、以及环保性能。新一代民用客机都以此作为目标。美国波音公司新一代客机B787最初称为7E7，其中的“E”字主要代表效率（Efficiency）、经济性（Economics）、超凡的乘坐舒适性和便利性（Extraordinary comfort and convenience）以及环保性能（Environmental performance）。怎样才能达到效率、经济性、舒适性和便利性、以及环保性能呢？答案是大量采用先进复合材料。碳纤维复合材料，具有比强度高、比模量高、耐疲劳性能和尺寸稳定性好等一系列优点，是

3、国防高技术发展的基础，是新一代武器装备发展的基础，也是军用和民用飞机发展的基础。在飞机上采Civil Aviation and Advanced Composite MaterialsZHAO Jia-xiang(Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology,Beijing 100076 China)Abstract:The relation between development of civil aviation and advanced composite materials is introduc

4、ed,including development of civil aviation and increasing in application of advanced composite materials,status ofapplying advanced composite materials to B787 and A380,demands of civil aviation on carbon fibers as well asmaterials technology and quality.The problems regarding application of advance

5、d composite materials to civil avia-tion and further trend of development were pointed out.Key words:civil aviation;advanced composite materials;carbon fibers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军用和民用飞机上的应用不断得到扩大。当前美国航空航天领域先进复合材料的市场约为70亿美元，由于新一代民用客机上大量采用复合材料，预测到2026 年将增长4 倍，达到280亿美元1。从民用飞机

6、发展来看，美国波音公司第一代民用客机B707上没有采用复合材料，复合材料的用量为零。1960、1970 年代先进复合材料在民用飞机上的用量还只有1%3%，像DC-9、DC-10、MD80和L1011等客机上先进复合材料的用量还只有1%左右，B747飞机的先进复合材料的用量当时比较高，也只有2%3%。1980 年代民用飞机先进复合材料的用量有所提高，波音公司Vol.32 No.2Apr.2007高 科 技 纤 维 与 应 用Hi-Tech Fiber&Application第32卷 第2期2007年4月B757先进复合材料的用量为3%4%，B767 则达到4%5%。欧洲空中客车公司的先进复合材料

7、的用量比美国波音公司高，A300-600 达5%6%、A310 接近10%而A320 则10%。到1990年代欧洲空中客车公司的A321、A330和A340的先进复合材料的用量都增长到13%15%，A322则在15%16%。波音公司的B777 在10%11%。表明在1980、1990 年代先进复合材料在民用客机上的应用欧洲空中客车公司领先于美国波音公司2。21世纪以来，美国波音公司大力开展扩大先进复合材料在民用飞机上应用的研究，取得很大成绩，具体反映在最新一代的民用客机B787 上。B787用的材料见表1，铝合金用量约占20%，而先进复合材料在B787的用量高达50%。同期欧洲空中客车公司大型

8、客机A380上先进复合材料的用量在25%左右3。国外民用航空的发展表明，随航空技术的发展，飞机应用的材料也在不断变化和发展。材料应用最明显的特点就是先进复合材料的比例在不断增长，包括在主承力构件、次承力构件和内装饰的应用4，例如波音B787 采用碳纤维复合材料制造机翼和机身结构，波音B787先进复合材料典型构件机身段，它是长7 m和宽6 m的整体结构件。先进复合材料主要指的是不同类型的碳纤维增强树脂基复合材料。由于碳纤维增强树脂基复合材料用量比例大幅度增长，因此，对碳纤维的需求量也不断地增长，这是近年来国际市场上碳纤维供应日趋紧张的重要原因。先进复合材料的大量采用,降低了飞机结构质量，而新型的

9、发动机和创新的流线型机翼设计，使B787飞机比目前同类飞机节省20%的燃油消耗，此外波音B787除了让中型飞机尺寸与大型飞机航程的实现结合，也将以0.85 倍音速飞行，这与当代速度最快的民用飞机波音747速度是相同的，这也使其点对点远程不经停直飞能力得以更好的体现。1 民用航空对先进复合材料和碳纤维的需求波音公司是民用飞机最有名制造商之一，波音B787 梦想飞机（Dreamliner）是波音公司推出的首款全新机型，属于200300座级飞机，航程随具体型号不同可覆盖6 50016 000 km 范围。B787的低燃料消耗、高巡航速度、高效益及舒适的客舱环境，可实现更多的点对点不经停直飞航线，得益

10、于大量采用先进复合材料。每架B787飞机上先进复合材料的具体用量，不同的资料有不同报导，从约25 t5到约75 t6。从日本东丽公司和美国波音公司签订的碳纤维供货合同可知,每架B787飞机碳纤维的需求量为30 t，因合同规定东丽公司向美国波音公司每架B787飞机供应30 t碳纤维，一直到2021 年7。如果先进复合材料中碳纤维量占60%左右，可以推算出每架B787 飞机上先进复合材料的用量在50 t 上下。除了波音公司以外，空中客车公司是世界上另一个最大民用飞机制造商。空中客车公司研制发展两个新机种A380和A400M，前者是民用客机，后者是运输机。A380 是当今世界上最大型客机，可载客55

11、5 人，飞行距离15 000 km，无间断直接在欧洲和亚洲之间飞行。空中客车公司两个新机种A380和A400M也要大量碳纤维复合材料。A380客机大量采用碳纤维复合材料和玻纤增强铝合金，碳纤维复合材料构件包括：襟翼、副翼、梁、后隔板、舱壁、地板梁、前缘、中央机翼盒、机身段、垂直稳定翼等。A380飞机采用复合材料的比例虽没有波音B787高，量也没有波音B787 大，但A380 对碳纤维复合材料的需求量约为1 000 t/a8。A400M 是新型运输机，为了大幅度增加其运载量而大量采用复合材料。A400M采用复合材料的比例约占结构质量的35%40%，碳纤维复合材料构件包括：稳定翼、机动翼、主翼盒等

12、，这是首次在这么大的翼盒上采用复合材料。波音公司B787、空中客车公司A380和A400M3个机种的碳纤维复合材料的需求量约为 3 000t/a。随这些飞机产量的提高，碳纤维复合材料的需求量将不断增长9。波音公司民用飞机对先进复合材料用碳纤维表 1 波音公司B787的材料 复合材料 铝合金 钛合金 钢 其他 50 20 15 10 5%赵稼祥:民用航空和先进复合材料第2期-7-表 2 民机上应用的碳纤维品种和规格的要求如下：波音7 4 7 飞机用复合材料对碳纤维的需求为：复合材料机翼上用的碳纤维是：T 3 0 0-3 K 小丝束碳纤维和平纹碳布。发动机上应用的有：T300、G30-500、AS

13、-4、平纹碳布和 8H 缎纹碳布。波音7 6 7 飞机用复合材料对碳纤维的需求为：复合材料机翼上用的是T300-3K 平纹碳布和TG30-500 3K 平纹碳布。机身用的是T300-3K 平纹碳布。垂直尾翼和水平尾翼上用T300-3K平纹碳布和G30-500 3K 平纹碳布。波音7 7 7 飞机用复合材料对碳纤维的需求为：复合材料机翼上用的是 T300-3K 和T800-12 K 单向带（制蜂窝夹层）。机身用的是波音材料标准BMS 8-276 单向带和平纹碳布；T800H-12K（T800S24K）单向带和T300-3K（T700GC）平纹碳布。发动机上应用的是T300和G30-500平纹碳布

14、和蜂窝夹层。尾翼上用 T300-3K 带、单向带和蜂窝夹层。波音787飞机上复合材料对碳纤维的需求为：无论是机翼、机身、垂直尾翼或水平尾翼，均采用T800、T700、IM 类碳纤维，包括：6 k、12 k 和24 k。以及标准模量12 k 碳纤维布。牌 号 生产厂商 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 断后伸长率/%应用机种 T300 东丽 3 520 230 1.50 B747;B767;B777 T700 东丽 4 900 230 2.10 B777;B787 T800 东丽 5 490 285 1.90 B777;B787 G50-300 东邦 3 310 359 0.92 B747;B

15、767;B777 AS-4 赫克塞尔 3 930 221 1.60 B747 IM6 赫克塞尔 5 240 276 1.70 B787 IM7 赫克塞尔 5 379 276 1.80 B787 IM8 赫克塞尔 5 447 303 1.70 B787发动机用标准模量 3k 碳纤维。民机上应用的碳纤维可归纳为表2。从波音公司民用飞机应用先进复合材料发展的历程，我们可以总结出以下几点：复合材料在民用飞机上的用量在不断扩大。从最初波音B747 仅为1%左右，发展到最新一代的波音B7E7，复合材料用量已经超过50%以 上。较大丝束的碳纤维在不断扩大应用，较小丝束碳纤维则被较大丝束碳纤维所取代。在最初的

16、波音B747 和波音B767 飞机上，制备复合材料用的碳纤维基本上都是3 k小丝束碳纤维。而在波音B767飞机上，部分3 k 碳纤维已经被12 k 碳纤维所取代。到最新一代波音B787飞机，制备复合材料用的碳纤维主要是6 k、12 k 和24 k 较大丝束的碳纤维。T700和T800等较高性能的碳纤维逐步取代T300类碳纤维。波音B747和波音B767飞机制备复合材料用的碳纤维基本上是T300 类碳纤维，而波音B777和波音B787则大量采用T700、T800和IM 系列高强度碳纤维。2 民用航空对先进复合材料工艺和质量的技术要求民用航空对先进复合材料的要求最主要的是要“稳定”、“可靠”和“可

17、重复”。也就是先进复合材料的材料工艺、性能和质量必须做到稳定性、可靠性和可重复性，这要求：纤维复合材料用的原材料必须严格执行材高科技纤维与应用-8-第32卷料技术条件；测试性能和为设计提供数据用的试样必须根据工艺技术条件制备；复合材料部件的生产必须根据工艺技术条件。为了达到这些要求，必须建立材料和工艺的技术条件和质量要求，包括：纤维及其生产线；碳布及其织机；编织物及其编织机；预浸料和预浸料生产线；生产设备；制造工艺；工艺装备等。波音公司已制订了碳纤维及其织物的相应技术标准，包括：BMS9-8，标准模量碳纤维及其织物技术标准。BMS9-17，IM 类碳纤维和T800H、T800S技术标准。BMS

18、9-22，供编织用碳纤维技术标准。BMS9-223，编织物、预制件技术标准。民用航空对碳纤维质量的要求非常严格，不仅对碳纤维物理性能和力学性能有要求，更是对碳的生产工艺和关键工艺参数控制有要求。美国波音公司对碳纤维束丝物理性能和力学性能要求检测的项目有：碳纤维的密度；碳纤维束的线密度；上浆剂含量；碳纤维打捻数；抗拉强度、弹性模量和断裂应变。此外对取样方法、每批或每筒的取样数都有规定要求。为了便于追踪，还要求碳纤维的供应厂商记录和提供聚丙烯腈原丝的批次号、碳纤维的批次号和碳纤维的筒号。波音公司的工艺控制文件要求碳纤维生产商确定关键工艺参数，以及这些关键工艺参数的控制范围。包括：聚丙烯腈原丝。原丝

19、的原材料、牵伸工艺、温度和保温时间、纤维的纤度等。制备碳纤维的原材料。包括：聚丙烯腈原丝、碳化用惰性气体、上浆用树脂、表面处理用电解液等。预氧化工序。预氧化时的炉温及其均匀性，氧化气氛中空气纯度的一致性。碳化工序。碳化时惰性气体纯度的一致性，碳化炉温及其均匀性。表面处理工序。表面处理时电解液的浓度，电流密度。上浆工序。上浆液的浓度及其一致性，干燥工艺等。3 存在问题和研究发展方向3.1 民用航空在扩大先进复合材料应用过程中发现不少需要进一步解决的问题 应用先进复合材料后“减重”达不到原设计的指标。美国波音公司发现前6架B787飞机飞机较预先计划超重约2%，必须要采取各种措施，包括设计、材料、工

20、艺等采取提高性能和改进设计等措施，争取在第7 架上达到减重2%的原设计指标10。大型复合材料构件的制备工艺有待提高改进。无损检测中发现在B787 的10 m 机身原型件的复合材料面板有气孔。面板存在的气孔对构件性能和使用有没有影响、有多大影响等的研究分析工作还在进行中。不管怎样，说明复合材料的制备工艺有待提高改进。要进一步研究碳纤维的“打捻”问题。碳纤维的“打捻”问题对制作飞机的复合材料质量有十分重要意义。研究表明，碳纤维的“打捻”对蜂窝夹层芯部的位移有密切关系，采用标准打捻的碳纤维（15 捻/m），蜂窝夹层芯部的位移比较小，而采用从不打捻碳纤维制造的蜂窝夹层，芯部的位移就比较大。碳纤维的“打

21、捻”对蜂窝夹层面板的孔隙率也有很大关系，采用标准“打捻”的碳纤维（15 捻/m）制造的蜂窝夹层面板的孔隙率比较大，而从不打捻碳纤维制造的蜂窝夹层面板的孔隙率很小。由此可见碳纤维的“打捻”对复合材料质量有正、负两面影响，“打捻”有利于减少蜂窝夹层芯部的位移，但增大了蜂窝夹层面板的孔隙率。为此，要求研究最佳3 k碳纤维束，亦即应该打多少捻？赵稼祥:民用航空和先进复合材料第2期-9-什么时间打捻？既可以达到最小的孔隙率，也可以兼顾最小的位移。这包括：最初打捻数应多少？部分解捻后残余打捻数多少？在碳纤维制备过程中应在什么时候打捻？是在原丝制备时稳定化工序之前、在预氧化之前，还是在碳纤维碳化工序前、抑或

22、碳化工序后？3.2 民用航空在扩大先进复合材料应用的研究发展方向主要是“降低成本”。为了达到降低成本的目的，国外公司已采取和拟采取的措施 采用较大丝束的碳纤维。例如用价格较低的24 k碳纤维取代12 k的碳纤维制备单向带和预浸料，这样可以降低碳纤维单向带和预浸料的成本。更经济的办法是供应商直接提供碳纤维预浸料而不是提供碳纤维束。波音公司和东丽公司有一个共同复合材料研究计划，目的是降低成本，提高质量。目标是研制低成本 BMS 8-276 单向带、用T800S 24K取代T800 12K和T700GC 12K取代T3003K。采用能保持质量稳定的工业用大丝束碳纤维（48 k 以上）取代宇航级小丝束

23、碳纤维（24k 以下）。在制造3K-70-P碳纤维布时取代昂贵的3 k碳纤维。初步研究表明用低成本12 k 碳纤维制造的12 K-70-P 碳布不可取，碳纤维的成本虽然降低，但后续工序成本增加，包括钻孔困难、定位困难、制造蜂窝夹层时覆盖能力差等。用6 k 碳纤维制造6 K-70-P 碳纤维布没有这些困难，但降低成本幅度不大。要解决低成本6 k碳纤维的生产问题。为保证质量并降低复合材料制造成本。要参考文献:1 Aerospace composites market will quadruple by 2006J.High performance composites,2007,15(1):7.2

24、 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):14.3 SCOTT KRAJCA.Carbon fibers enabling next generation commercial air travelJ.Lecture given at“The global outlook for carbon fiber 2002”,2002.4 SARA BLACK.Advanced materials for aircraft interiors J.High performance composites,2006,14(6):24.5 MOE SOLEIMA

25、N.Carbon fibers needs and technical requirementsJ.Paper presented at carbon fiber 2004 conference,2004.6 JUDY HAZEN.EditorialJ.High performance composites,2006,14(6):5.7 Problems at airbus and boeingJ.High performance composites,2006,14(4):20.8 Airbus jumbojets:First a400M wing assembled,A380 wins c

26、ertificationJ.High performance composites,2007,15(1):12.9 Singapore air orders 20 boeing 787-9 jetsJ.High performance composites,2006,14(6):12.10 Boeings 787 on track,but weight still a questionJ.High performance composites,2007,15(1):14.11 DAVID WARREN C.Low-cost carbon fiber will the market develo

27、p?J.Composite technology,2006,12 (3):7.12 BOB GRIFFITHS.No cause for“doom and gloom”J.HPComp,2004,12(1):7.高科技纤维与应用-10-第32卷研究3 k、6 k 碳纤维束最佳打捻数问题。提高碳纤维复合材料的性能。采用I M 碳纤维时要求提高抗压缩强度，包括增大I M 碳纤维直径、减小芯子尺寸和采用非圆形截面碳纤维。研制非聚丙烯腈基的原丝制造碳纤维。敬请重视和写好论文的中英文摘要1 写好中英文摘要的重要性中文文摘是沟通国内读者和作者之间的桥梁。在 知 识 爆 炸 的 今 天，读者不可能通过直接浏

28、览刊物的方式去获取全面的信息，只能通过专业的二次文献数据库，检索到相应文章的文摘，再提取原文。英文文摘是作者和国际同行进行交流的必经之路。在当今的科技领域，英语已经成为事实上的国际交流语言。世界各国学者想追踪了解某一学科的发展情况，都会用英文工具书和数据库进行检索。2 如何写好中英文摘要摘 要 应 概 括 正 文 的 要 点。一 般 来 说，应 包 含 研 究 对 象（目 的）、研 究 方 法（所 用 的 设 备、材 料）、结果和结论。写英文摘要时，不能因为某些内容不好翻译就弃掉要点。摘要要尽量简短，尽可能删掉课题研究的背景信息。摘要中出现的数据应该是最重要和最关键的数据。不需要自己标榜自己的研究结果。二次文献信息将脱离原文而独立存在，因此摘要中不能出现图表参数据。摘要中的内容应在正文中出现，不能对原文进行补充和修改。摘要中的缩写名称在第一次出现时要有全称（众所周知的缩写词除外）。摘要的句子应尽量简短，主谓语要搭配。1 2 1 2 3 4 5 6 7 8