飞机制造材料专题报告：大飞机应用材料解析.docx

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1、飞机制造材料专题报告：大飞机应用材料解析1.开篇：一代飞机，一代材料1.1.材料与飞机相互推动，不断发展“一代飞机、一代材料”，材料与飞机一直在相互推动下不断发展。首先，先进 材料的应用是航空技术发展和进步的最重要推动力之一。航空材料是航空产品的技术 性能、生存能力、延长寿命和提高经济可承受能力的基础，属于优先发展、重点突破 的关键技术。成本方面，材料是飞机制造的物质基础，一定程度上决定了飞机机体结 构的制造成本。供应链方面，材料是商用飞机“供应链保障”上的一个重要环节。可 以说，航空材料的发展对航空技术起到强有力的支撑和保障作用；反过来，航空技术 的发展需求又极大地引领和促进航空材料的发展。

2、民用飞机的材料发展经历了五次跨时代的发展。由于工业水平有限，以莱特兄弟为代表的第一代飞机采用木制的梁条、翼肋、机翼包裹帆布，利用钢索固定维持 机身的刚度，例如第一次世界大战的绝大部分飞机。随着工业发展及结构设计方法认 知，结构设计仅以材料静强度试验为准则，第二代飞机采用铝合金、钢材等作为主 结构。为了减轻机体重量并提升飞机性能，第三代飞机机体结构除了铝合金、钢材 等材料外，新增了钛合金；而第四代飞机机体主结构采用了轻质铝合金、钛合金作 为主承力材料，非主承力结构上选取少量的复合材料；第五代飞机采用了更为先进 的复合材料、钛合金及部分铝合金。从国外大型客机材料应用的具体情况来看，传统的铝合金及结

3、构钢在飞机上的 用量逐渐减少，而复合材料和钛合金的占比快速提升。根据一代材料技术，一代 大型飞机，从波音 787 开始，50%用量的复合材料成为未来飞机的起点，继波音 787 之后，空客 A350 改进型(A350XWB)的复合材料用量从原来的 37%提高至 52%。同时， 钛合金用量与日俱增，一方面是因为它在减轻结构重量上的优势，另一方面则是因为 钛与碳纤维复合材料的电极电位相近，钛合金又成为复合材料惟一的连接材料。飞机结构材料总体发展趋势是轻质化、高强度、高模量、耐高温、低成本。随着航空航天产业的快速发展，对飞行器重量、性能、能源消耗等要求地不断提高，对 材料也提出了更严格的要求。其中，降

4、低重量是最首要的目标。根据航空航天材料 发展现状及前景，小型民机的结构重量每减 1磅所获得的直接经济效益为 50 万美元 /磅，而对战斗机来说，这个数值是 400 万美元/磅，商用运输机为 800 万美元/磅。1.2.商用飞机材料要求高，C919 选材兼具成熟性和先进性商用飞机选材犹为严苛。总体而言，客机对材质的要求比军机对材质的要求更为苛刻，大型客机对材质的要求又比中小型客机对材质的要求高。在商用飞机发展目 标围绕“更安全、更经济、更舒适、更环保”开展设计，提出了“减重、减阻、减排” 的目标设计。对材料而言，也提出了“轻量化、高可靠、长寿命、高效能、绿色环保， 飞机材料需要满足“性能优先原则

5、”、“先进性原则”、“成熟型原则”、“经济性原则” 和“环保性”原则五大原则。同时，综合考虑各方面需求，大飞机的材料也要满足适航当局、飞机设计制造商、航空公司等三方面的要求。中国商飞已具备基本的选材能力，C919 选材兼具成熟性和先进性。中国商飞已 经基本建立起“在理解自己产品需求的基础上科学评价材料可用性”的技术能力。已经基本具有工程设计中材料选用权、材料及供应商的合格鉴定权、采购过程中的选择 权。商飞为 ARJ21 和 C919 两款飞机共计选用金属材料 100 种、非金属材料 200 余种、 标准件数千规格。同时，选材中体现了成熟性和先进性的结合，以 C919 大型客机为 例，在中央翼、

6、机翼、机身等主承力部段上使用了经 ARJ21 飞机成功验证的铝合金等 成熟材料，在尾翼、后机身和襟缝翼上使用了复合材料，特别是在尾翼盒段和后机身 前段上使用了国外先进的第三代中模高强碳纤维复合材料，在机身蒙皮和长桁结构中 使用了第三代铝锂合金。2.铝合金2.1.铝合金目前占据航空材料的主导地位 铝材是民机制造最重要的关键材料之一，也是应用最为广泛的材料。铝合金是 混合型金属，包括铜、锌、锰等多种金属元素。一方面，铝合金的密度小，其密度大 约是铁密度的三分之一，由于铝合金中含有丰富的混合金属元素，熔点在 60 摄氏度 左右，可塑性较强，同时也兼有铜、锰等多种金属抗腐蚀性的特点，因此在航空领域 得

7、到广泛应用。C919 前机身、中机身、中后机身、机头与机翼结构件几乎全是用铝材制造的， 铝材占全机结构总重的比例为 65%。上述主要零部件是用当今高端传统 2xxx 系与 7xxx 系铝合金制造的，一些重要结构件则是用铝-锂制造的，一些次要的零部件与功能零件，如空调系统、油路管、行李架、卫生设施等则是用其他铝合金制造的。C919 飞机是由一百多万个零部件连接组装而成，铝合金零件的连接与其他零件的连接如发 动机与机翼的连接，在飞机的制造中起着非常重要的作用。 C919 大飞机所使用的铝材档次是最高的，符合它的要求的铝合金材料在其他航 空器上也都可以使用。按生产工艺难度与价格高低可以将 C919

8、使用铝材分为如下的 几类：1）常用传统铝合金材料：7075-T62、7075-T73、7075-T73511、2024-T42、 2024-T3511、2024-T3 等；2）7050-T77 型与 7055-T77 合金；3）近代发展起来的铝锂合金：2196、2198、2099 等。第一类材料，我国已解决了“有无问题”，但竞争力 问题尚未解决。因为材料的经济性是飞机公司选材的重要原则之一，国产铝材必须各 项性能指标务必全面达到或超过制造原型取证机用的进口铝材的，以全面替代进口产 品，同时价格合理，才具备国际市场竞争力；第二类材料仍需解决供应问题；第三类 材料仍与国外有较大差距，研制一代新飞机

9、所需要的全部新型铝材，即使在工业发达 国家也需要六七年的时间。C919 铝合金或即将实现 100%国产化，带动 90000t 高端铝材市场。根据铝材力 推三大“国之重器”遨游蓝天，C919 原型机出于获取适航取证的需要，铝材均使用 进口材料，从第二架飞机开始，国产铝材的用量逐渐增加，2022 年 C919 的铝材（不 包括铝锂合金）国产化率可望达到 100%。根据铝合金在中国民用航空器上的应用， 假设未来 20 年可制造 1200 架 C919，每架的投铝量按 75t 匡算，需采购铝材、铸件、 锻件总计 90000t，每年平均 4500t/a，若铸件按 15%计算，则铝材及锻件的采购量为 38

10、25t/a。制造 C919 大飞机所需的国产铝材，主要由中国铝业集团有限公司提供的。例如 其下属的西南铝业继为 C919 飞机提供了 30 个规格、600 余件铝合金锻件外，2017 年 11 月又试制成功旅客观察窗窗框和起落架轮毂精密模锻件。这些模锻件具有高强度、 高韧性、抗疲劳性强与抗腐蚀性高的特点，是飞机的关键结构件，主要用在机翼、机 翼活动面、机身中央翼、起落架等部位。2018 年，西南铝业 7050 铝合金厚板通过适 航鉴定，获得中国商飞授权，进入 C919 飞机合格产品目录，打破国外技术垄断。此 外，南山铝业也已具备民机关键铝材的研制能力，其板材、型材相关 5 项产品已列入 C91

11、9 飞机合格产品目录。2.2.铝锂合金是航空航天最理想的结构材料 2.2.1.铝锂合金性能优越，在航空航天领域得到良好应用铝锂合金性能优越，是当前最具竞争力的先进材料。降低合金质量最简单的方 法就是向其中添加轻原子量元素，以减小合金的密度。锂是世界上目前为止发现的最 轻金属元素，锂在铝中的最大溶解度为 4.2%。前期研究发现向铝合金基体中每添加 1% 的 Li，可降低该合金密度 3%，弹性模量上升 5%6%。铝锂合金相比于常规的 2XXX 系 和 7XXX 系高强铝合金，不仅具有低密度、高弹性模量、高比强度和高比模量的优点， 还兼具低的疲劳裂纹扩展速率、较好的高温及低温性能等特点，相比于复合材

12、料，在 抗冲击、塑性和修复性等方面也具有不可替代的优势。铝锂合金是现代航空航天器材 设计中最具竞争力的材料之一。铝锂合金已在航空航天器材上得到广泛应用。铝锂合金已经在军用飞机、民用 客机、直升飞机和航天器上使用，主要用于机身框架、襟翼翼肋、垂直安定面、整流 罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等。在新型飞机设计制造中，轻质和减重在航空领域 常常“克克计较”，采用铝锂合金可使飞机铝合金零部件的质量减轻 14%30%，减重 的效果就是每架飞机每年的飞行费用会下降 2.2%以上，所以铝锂合金被认为是航空 航天最理想的结构材料。铝锂合金已发展到第三代，第四代高性能合金正在研制中。铝锂合金的研究和 开发大致经历

13、了 3 个阶段，第一代以 2020、BA23 为代表；第二代以 1420、2090 为 代表；当前已发展到第三代铝锂合金，其具有较好的综合性能，新近开发和改良的 1460、2198、2199、2050 等铝锂合金在先进大型客机和航天器上应用广泛。为满足 航空航天工业的需要，世界上大型铝业公司和科研机构已经着手开发第四代铝锂合金， 与第三代相比，新一代铝锂合金的锂含量将会降低，而强度、断裂韧性有所提升，伸 长率有所降低，其他性能仍能达到甚至超越第三代铝锂合金的水平。与第二代铝锂合金相比，第三代铝锂合金具有较传统铝合金更为优异的强度、 韧度、耐损伤性能等优点。如 2197 合金已在 F-16 战机

14、的后机身舱壁和其他部件获得 成熟应用，该合金用于替代 2124 合金，克服了疲劳寿命不足的缺陷，满足了服役 8000 小时的要求，同时还获得减重 5%、断裂韧度提高 7%的效果。2.2.2.C919 选用第三代先进铝锂合金，但仍依赖进口C919 选用第三代铝锂合金，占全机结构重量 8.8%，但目前仍依赖进口。C919 大 飞机的机身蒙皮、长桁、地板梁、滑轨、边界梁、地板支撑结构等部件都使用了第三 代铝锂合金。根据我国航空航天对铝锂合金的需求，全机铝锂合金材料占 8.8%， 超过同级别的波音 737 和空客 320 飞机，用量达到 14t，助力 C919 综合减重 7%。由 中航洪都制造的 C9

15、19 机身前部等直段部和中航西安制造的 C919 中机身和副翼大部件 均大量采用了铝锂合金板，但 C919 大飞机采用的第三代铝锂合金均来自奥科宁克铝 业公司。铝锂合金已成为当前各国争相发展的重要航空材料，美国占据大半市场。目前， 国外有完整铝锂合金生产体系的国家主要分布在有限的美国、俄罗斯、英国、法国和 意大利共 5 个发达地区，铝锂合金的生产能力总计约 20 万 t/a。这些国家建立了熔炼 铸造加工的完整体系，其中熔炼铸造是生产铝锂合金材料的关键工序。美国在 铝锂合金的研发、生产和应用上走在世界前列，其生产能力占到全球的 50%左右，主 要生产企业有奥科宁克铝业公司、肯联铝业公司、爱励铝业

16、公司。奥科宁克铝业公司 是全球最大的铝锂合金生产企业，产能约 5.5 万 t/a，主要客户包括波音、空客、洛 克希德马丁、湾流宇航、中国商飞等众多大型民用及军用飞机制造商。俄罗斯铝锂合 金的研发、生产和应用始于前苏联，是仅次于美国的世界第二大研发、生产与应用大 国；生产能力占到全球的 25%左右；市场主要是面向俄罗斯国内的航空航天部门。我国铝锂合金研制起步较晚，在工业生产及应用方面与美俄差距较大。我国直 到 20 世纪 80 年代中期才正式启动铝锂合金的研发工作。中南大学、北京航空材料研 究院、航天 703 所、北京有色院以及西南铝业公司等高校和单位依托国家相关课题项 目，围绕铝锂合金的成分设

17、计、组织调控以及性能生成等方面进行了深入系统的研究， 已经能够产业化制备多种铝锂合金。并根据航空航天领域铝合金的应用背景和性能要 求，开发出了综合性能良好的铝锂合金，建立了具有自主知识产权的合金牌号，如 2A97、X2A66。其中，X2A66 合金是我国铝锂合金研发工作的重大突破。但在铝锂合 金基础研究与工业生产及应用方面，与美、俄仍存在较大差距，当前仅有西南铝业能 够生产少量铝锂合金，年产量不足 100t，远远不能满足国产大飞机的需求。3.钛合金3.1.钛合金广泛用于飞机机身及发动机与铝、镍等主要航空用金属相比，钛是唯一一种广泛用于机身及发动机的材料。 钛合金是 20 世纪 50 年代发展起

18、来的一种重要的新型结构材料，钛比钢密度小 40%， 而钛的强度和钢的相当，这可以提高结构效率。同时，钛的耐热性、耐蚀性、抗弹性和成形加工性良好。由于钛具备上述特性，从一出现钛合金就应用于航空工业。钛是 飞机的主要结构材料，也是航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的首选材料，被誉为“太空金属”。钛合金在飞机和发动机中的使用量也是衡量其先进性的重 要指标之一。飞机越先进，钛用量越多。根据航空用钛合金研究进展，美国 F22第四代机用钛含量为 41%(质量分数)，其 F119 发动机用钛含量为 39%，是目前用钛含量最高的飞机。按相组成钛合金可分为密排六方结构(HCP)的 型钛合金(包括近 型合

19、金) 即国内牌号 TA、两相混合的 + 型钛合金即国内牌号 TC 和体心立方结构(BCC) 的型钛合金(包括近 型合金)即国内牌号为 TB。 型钛合金主要含 Al、Sn 等元 素具有良好的抗蠕变性能，强度、可焊性以及韧性，是高温下的首选合金，同时， 型合金不存在冷脆性，它也适合在低温环境中使用，扩大了其应用范围。+ 型钛 合金中同时加入 稳定元素和 稳定元素，使 和 相得到强化，具有优良的综 合性能，如其室温强度高于 合金的，热加工工艺性能良好，可以进行热处理强化， 因此适用于航空结构件，也可用于航空发动机压气机盘、旋转子和其他部件。钛合 金的双态组织具有良好的强度、塑性和韧性的匹配，因此得到

20、广泛使用，同时， 钛合金所具有的可热处理强化性和深淬透能力使得它逐渐代替 + 两相钛合金成为 用于飞机机身和机翼的首选结构材料，在航空航天工业中发挥越来越重要的作用。3.1.1.飞机机身用钛合金飞机结构用钛合金主要应用在飞机骨架、舱门、液压管路及接头、起落架、蒙 皮、铆钉、舱门、翼梁等。20 世纪 50 年代，美国首次将钛合金用在 F-84 轰炸机上 作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60 年代开始，钛合金在军用飞机 中的用量迅速增加，占到飞机结构重量的 20%25%，使用部位从后机身移向中机身， 部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。70 年代起，民用飞机 也开始大

21、量使用钛合金，如波音 B747 客机的钛合金用量达 3640kg 以上。飞机结构用 钛合金的使用温度一般不高于 350，其在比强度、韧性、抗疲劳性能、焊接工艺性 能等方面有较高要求。在飞机机身中应用较广泛的钛合金有 -21S(Ti-15Mo-3Al2.7Nb-0.2Si)、Ti-10-2-3(Ti-10V-2Fe-3Al)、Ti-15-3(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn)67、 Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等。采用钛合金做机身材料有以下 5 方面优势：1)替代钢和镍基高温合金可大大降低 飞机质量。高推重比让钛合金能够替代强度稍好的钢而用于飞机零部件中。2)能够满 足飞机强

22、度要求。与铝合金相比，60%左右质量的钛合金即可达到相同的强度。在使 用温度超过 130时，钛合金能取代铝合金，因为这一温度是传统铝合金的极限适用温度。3)耐腐蚀性良好。大部分飞机支撑机构在厨房、厕所下面，很容易产生腐蚀， 钛合金不需要表面防腐涂层或者镀膜。4)与聚合物复合材料电化学相容性好。5)空间 的限制，替代钢和铝合金。3.1.2.航空发动机用钛合金发动机是飞机的心脏，钛合金用量占发动机总质量的 25%40%。发动机的风扇、 高压压气机盘件和叶片等转动部件，不仅要承受很大的应力，而且要有一定的耐热性。 这样的工况条件对铝来说温度太高；对钢来说密度太大。钛是最佳的选择，钛在 300650温

23、度下具有良好的抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性能。同时，发动机的 一个重要性能指标是推重比，即发动机产生的推力与其质量之比。最早发动机的推重比为 23，现在能够达到 10。推重比越高，发动机性能越好。使用钛合金替代原镍基 高温合金可使发动机的质量降低，大大提高飞机发动机的推重比。钛在飞机发动机上 的用量越来越多。在国外先进航空发动机中，高温钛合金用量已占发动机总质量的 25%40%，如第 3 代发动机 F100 的钛合金用量为 25%，第 4 代发动机 F119 的钛合金用 量为 40%。3.1.3.航空紧固件用钛合金 钛合金紧固件作为复合材料唯一连接材料，随复材用量增加而不断增加。不论 军民用

24、飞机还是航天器上，除了金属构件还有很多碳纤维复合材料。钛与碳纤维复合 材料的电极电位相近，钛合金又成为复合材料惟一的连接材料。因此，随着先进军民 用飞机钛合金和复合材料用量的不断增加，对钛合金紧固件的需求日益加大。钛合金 用作航空紧固件，至少具备以下 4 点优势：1)减重效果好。俄罗斯的一架伊尔-96 飞 机用紧固件 14.2 万件，可减少质量近 600kg。我国航空航天系统钛合金紧固件的使 用也有明显的减重效果。飞机和航天器减少质量后，可以提高推力、增加射程、节省 燃料、减少发射费用等。2)钛合金优异的耐腐蚀性能，尤其是它正电位与碳纤维复合 材料匹配，可以有效防止紧固件发生电偶腐蚀。3)在飞

25、机结构中，紧固件部位因温度 较高，不能采用铝合金，只能使用钛合金。4)钛具有良好弹性和无磁，对于防止紧固 螺栓的松动和防磁场干扰至关重要。3.2.C919 大飞机钛用量占 9.3%，国产化率最高C919 大飞机钛合金用量占全机结构重量的 9.3%，超过同级别的波音 737 和空客 A320。为了降低飞机的质量，提升飞机的经济性，C919 大型客机广泛采用钛合金材 料，前机身压板、机头蒙皮、吊挂、中央翼缘条、尾翼接头、机翼滑轨等部位均使用了钛合金，总用量达到机身结构重量的 9.3%。我国第一次在一款民用飞机上大量使用钛合金，而同级别的波音 737 和空客 A320 飞机钛合金用量分别为 4%、4

26、.5%。C919 选用 6 个钛合金牌号，制品形态多样。根据钛合金材料及其新技术在在 C919 飞机上的应用，综合考虑钛合金的产品性能、成本、交付周期等，C919 飞机选 择了 6 个钛合金牌号，包括低强高塑性、中强中韧、中强高韧、高强高韧及系统用材， 产品形式涵盖了锻件（投影面积1.1 ，要求的棒材直径450mm）、厚板（4.76- 80mm）、薄板、型材、管材、丝材等。C919 选材严格，对于钛合金产品性能的评估要 点包括静强度、疲劳、损伤容限、耐蚀性能、机加性能、表面处理、无损检测等。钛合金为 C919 上国产化最多的先进材料，宝钛集团和宝钢股份都已有材料在大 飞机上使用。宝钛股份为国内

27、钛材龙头企业，是国产大飞机机身钛材主要供应商， 先后承担了国家Ti-3Al-2.5V（TA18）管材、热处理的Ti-6Al-4VEIL厚板、处理 的 Ti-6Al-4V 合金型材、TB5 板材工程化研制四个型号用材料研制任务，为首架 C919 飞机提供了多种规格的钛合金棒材、厚板和薄板材料。宝钢以飞机起落架用高强钢、 钛合金及大飞机发动机用材等作为重点研发方向，成功研制出 TC4、TC18、TA15 等 大牌号的大型钛合金棒材、等温锻件。西部超导 Ti-6Al-4V 钛合金通过商飞资质认证，即将共享大飞机广阔市场。西部 超导主要从事高端钛合金材料和低温超导材料的研发与制造，是我国航空用钛合金棒

28、 丝材的主要研发生产基地，也是目前国际上唯一的铌钛(NbTi)锭棒及线材全流程生产 企业。为满足 C919 大飞机用钛材需要，西部超导定增募资 10 亿元，用于航空用特种 钛合金扩能技改项目等。根据公司2021年半年报，公司已经通过了商飞公司Ti-6Al4V 钛合金材料的资质认证，未来将逐步实现产品批量交付。 根据立鼎产业网数据，C919 钛材用量约为 3.92 吨/架，假设未来 20 年可制造 1200 架 C919，在不考虑损耗率的情况下预计带来 4700 吨航空钛材需求量。4.复合材料4.1.复合材料用量快速提升，成为衡量先进飞机的重要指标 复合材料是除铝之外最重要的航空和航天材料。复合

29、材料一般指由两种或两种 以上异质、异型、异性材料（一种作为基体，其他作为增强体）复合而成的具有特殊 功能和结构的新型材料。20 世纪 70 年代后期相继开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、 氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性 能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料。这种先进复合材料具有高比刚度、 高比强度、性能可设计、抗疲劳性和耐腐蚀性等优点，越来越广泛地应用于各类航空 航天飞行器，大大地促进了飞行器的轻量化、高性能化、结构功能一体化。复合材料用量快速提升，其应用比例是是新一代大飞机安全性、经济性、舒适性和环保性的重要指标。根据航空航天领域先进复合材料制

30、造技术进展，先进复 合材料在航空航天领域的应用始于军用飞机，是为满足其对高机动性、超音速巡航及 隐身等要求而不惜成本开始采用的。近年来由于结构轻量化的要求，民用飞机在复合 材料用量方面也呈现增长的趋势。以1990年研制的波音777为例，在其机体结构中， 复合材料仅占 11%，而且主要用于飞机辅件，如尾翼和操纵面等。到了 2009 年波音 787 首飞时，复合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的 50%，而空 客 A350的复合材料用量更是达到了 52%。大飞机的主承力结构件采用复合材料制造已成趋势。复合材料应用部位已由飞 机的非承力部件及次承力部件发展到主承力部件，并向大型化、整体

31、化趋势发展。复 合材料在飞机上的应用经历了前缘口盖整流罩扰流板升降舵方向舵襟副 翼垂尾平尾机身和机翼等主承力结构应用的过程。复合材料是大型整体化结构 的理想材料，与常规材料相比可使飞机减重 15%30%，结构设计成本降低 15%30%。复合材料在发动机机体结构上的应用晚于飞机结构，近年来也得到了大量应用。 航空发动机的冷却系统、发动机短舱和反推力装置的设备零件都有复合材料的应用。 因为这些零件需要比强度高、隔噪声强和耐腐蚀性强等苛刻的要求，而碳纤维复合材 料这些方面都非常的出色，因此被广泛使用。风扇段重量占发动机总重量的 30% 50%，通过液体成型制备的风扇叶片和机匣，对发动机的减重效果十分

32、明显。同时， 欧美最新使用的预制体和 RTM 成型工艺的自动化水平较高，叶片制造的全过程仅需 24h 即可完成，预计能达到每 30min 生产 1 个叶片的生产效率。受使用条件和自然环境的制约，民用飞机对其经济性、舒适性、环保性等方面都 有着十分严格的要求。复合材料能很好地满足民用飞机的设计要求，对民机制造业产 生了深远的影响。根据复合材料在新一代大型民用飞机中的应用，以波音 787 为 例，复合材料的优势主要体现在：1）提高了民用飞机的经济性：民用飞机的成本不仅仅是飞机的购买价格，还要 考虑油耗、维修成本、寿命等因素。虽然复合材料比铝合金贵得多，但是它所带来 的经济效益远远超过了它的负面效应

33、。波音 787 复合材料整体机身省去了所有纵向蒙皮拼接件，减少了1500块铝合金板和45万个连接件，使机体结构更加轻盈坚固， 节省了油耗和维修成本。波音 787 的场外维修间隔时间从波音 767 的 500h 提高到 1000h，维修费用比波音 777 降低了 32%，都带来了可观的经济效益。2）提高了民用飞机的舒适性：目前大部分飞机的舱内气压相当于外界 2400m 高 度处的压力，而波音 787 客舱内的气压约为 1800m 高度处的压力，为旅客提供了更加 舒适的旅行享受。波音 787 舱压的提升仅仅使机身质量增加了 70kg。而使用铝合金 机身，要达到这一指标，其结构质量将增加 1t。同时

34、复合材料优异的抗疲劳特性为 波音 787 客舱大尺寸舷窗设计提供了可能。波音 787 的舷窗尺寸达到 280mm*480mm， 比空客 A330/A340 的窗口面积增大了 78%，使旅客可以拥有更大的视野。此外，整体 成型的复合材料机身要比用铆钉连接的铝合金机身使用更少的紧固件，表面光洁度要 好得多，有效地减少了机身表面的湍流噪声。3）提高了民用飞机的环保性：面对较高的燃油价格和越来越严格的污染物排放 标准，复合材料飞机节能减排的优点显得尤为重要。轻便的复合材料结构件能够提高 飞机的飞行效率，降低油耗。波音 787 与同类飞机相比可以节省 20%的燃油，这当中 8%是依靠应用复合材料而实现的

35、。4.2.碳纤维复合材料是应用最为广泛的先进复材碳纤维复合材料是目前国际上航空领域应用最为广泛的复合材料。它是由碳纤维 作为增强体，树脂、金属、陶瓷等作为基体复合而成。其中，飞机结构材料主要以环 氧树脂基碳纤维复合材料为主，本节主要围绕该类复合材料展开讨论。4.2.1.碳纤维是含碳量在 90%以上的高强度、高模量的新型纤维材料 碳纤维（Carbon Fiber）是一种丝状碳素材料，由有机纤维经碳化以及石墨化处 理而得到的微晶石墨材料，直径 5-10 微米，含碳量高达 90%以上。碳纤维力学性能 优异，比重不到钢的 1/4，碳纤维复合材料抗拉强度一般都在 3500Mpa 以上，是钢的 7-9 倍

36、，同时具有轻质、高强度、高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等优异特 性，因此广泛应用于航空航天领域。碳纤维可以按纤维数量、拉伸模量、拉伸强度不同来进行分类。按纤维数量不 同，碳纤维可分为小丝束和大丝束，小丝束一般指丝束数量小于24K的碳纤维（1K代 表一束碳纤维中有 1000 根丝），主要用于国防军工、航空航天领域；大丝束指丝束数 量大于等于 48k 的碳纤维，用于通用工业领域。按拉伸模量不同，碳纤维可分成标准 模量、中等模量和高模量三类。而常见的 T300、T400、T700、T800、T1000 引自日本 东丽公司碳纤维产品型号，主要以拉伸强度来划分。4.2.2.树脂基碳纤维复合材料在航

37、空领域广泛应用碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料，以树脂、金属、陶瓷等作为基体材料， 经过复合成型制成的结构材料。与传统的金属材料相比，其具有密度小、比强度 比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、便于设计、易于大面积整体成型加工等优点。 按基体的不同，可分为树脂基复合材料（CFRP）、碳碳复合材料（CC）、金属基复 合材料（CFRM）、陶瓷基复合材料（CFRC）及橡胶基复合材料（CFRR）等。CFRP 是碳纤维最主要的消费领域，其在全球碳纤维复合材料市场中的消费占比约为 80%。碳纤维/环氧树脂复合材料(CFRP)是大型整体化结构的理想材料，可使飞机减重 2040%，大幅降低成本。与其他航空航天金

38、属合金相比，CFRP 有更高的比强度/模量， 重量更轻，更好的耐腐蚀性和抗疲劳寿命性，更大的有效载荷（人员、航空电子设备、 弹药等以及更长的航程和燃油节省，碳纤维复合材料的耐高温性非常好，机件在使用 过程中能够承受高温带来的影响，减少不必要的损失，在高温条件下它的属性和性质不会轻易的发生变化，为航空设备的平稳运行提供保障。更重要的是，CFRP 的良好 成型性可以使结构设计成本和制造成本大幅度降低（零件和紧固件较少）。空客公司 提出更多地用轻质高强材料使机身减重 30%，整个飞行成本可降低 40%。4.2.3.大飞机研制推动碳纤维复合材料行业发展航空需求推动碳纤维工业的发展和先进复合材料技术日趋

39、完善。根据碳纤维 复合材料在大飞机上的应用,1981 年，波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维， 促进了高性能碳纤维的研发步伐。1984 年，日本东丽公司率先研制成功 T800；1986 年，又研发成 T1000。随后，日本东邦、三菱人造丝公司和美国 Hexcel 公司相继研 制出同类高性能碳纤维，为制造大飞机提供了新型复合材料。韧性 CFRP 是典型的用来制造大飞机一次和二次结构件的韧性复合材料。先进通 用级 T300 碳纤维其 CFRP 可用来制造飞机的二次结构部件。例如，T300/5208 用来制 造 B757、B767 和 B777 的二次结构部件。但因 T300 的抗拉强度仅为 3

40、.53GPa，抗拉模 量为 231GPa，特别是断后延长仅有 1.5%，满足不了制造一次结构件的要求。随后开 发成功的高强中模型碳纤维在上述 3 项质量指标有了大幅度提高，在配套韧性环氧树 脂所制高性能韧性 CFRP 就可用来制造大飞机的一次结构件。韧性 CFRP（如 T800H/3900-2）是当前制造先进大飞机一次和二次结构件的典型材料。目前，日本东 丽公司为 B787 客机研发了第三代增韧环氧复合材料 T800S/39002B，属于经改进的 大丝束碳纤维，该材料的冲击后压缩强度值（CAI）达到了 315345MPa。碳纤维复合材料成型技术主要包括预浸料-热压罐工艺、液体成型工艺、非热压

41、罐工艺、模压、缠绕和拉挤成型工艺。预浸料-热压罐工艺是目前应用最为广泛、最 为成熟的航空复合材料结构成型工艺。它主要是以预浸料为加工对象，通过热压罐来 提供必要的压力环境，并在一定的温度下使预浸料叠层完成固化而得到复合材料零件 的制造技术。多用于主承力结构，如机翼、中央翼盒、机身等。液体成型工艺（LCM） 是将液态树脂（或加热熔化预置的树脂膜）注入铺在模具上的纤维预成型体，树脂在 流动的同时完成纤维的浸润并经固化成为制品，可以省略预浸料加工、预浸料低温储 存和使用昂贵的热压罐 3 道工艺过程，是进入本世纪以来发展迅速的一种低成本工艺。 而非热压罐（OOA）工艺是另一种低成本的新工艺，专指相对于

42、传统预浸料+热压罐 工艺，依然采用预浸料但不需要热压罐设备，仅在真空压力下固化的工艺技术，尚处 于初步试用阶段。4.3.C919 复合材料用量占 12%，首次使用 T800 碳纤维复合材料C919的复合材料用量约为 12%（飞机结构重量），主要使用碳纤维复合材料。根 据C919 上用了哪些新材料，复合材料应用部件包括水平尾翼、垂直尾翼、翼梢小 翼、后机身（分为前段和后段）、雷达罩、副翼、扰流板和翼身整流罩等。如此大规 模的采用碳纤维复合材料，国内尚属首次。此前 ARJ21 支线客机复合材料用量为 8% 左右，其方向舵和翼梢小翼采用了碳纤维/环氧树脂复合材料，翼身整流罩和机头雷 达罩采用了玻璃纤

43、维/环氧树脂复合材料。在 C919 复合材料结构件中，有大尺寸复合 材料壁板结构（水平尾翼、垂直尾翼）、蜂窝三明治夹层结构（活动面）、大曲率变截 面（后机身）等复杂结构，加之尺寸很大，使得制造难度增加。C919 客机中央翼盒 原计划采用复合材料，但由于缺乏应用及验证经验，为了保证研制进度，最终改为了 传统的金属结构。C919 大型客机是国内首个使用 T800 级高强碳纤维复合材料的民机型号。相比 T300 级材料，T800 级材料强度、模量更高，韧性更强，具备更好的抗冲击性。因此， C919 上受力较大的部件，如后机身和平垂尾等都使用了 T800 级碳纤维复合材料。 T300 属于第一代民机复

44、合材料，其树脂基体为未增韧的脆性环氧树脂基体，增强纤维为 T300 碳纤维，拉伸强度约为 3.5GPa，拉伸模量约为 230GPa。T300 呈现脆性材料 性能特征，对冲击载荷引起的分层损伤比较敏感，因此只能用于受力不大的次承力结 构。C919 上使用的 T800 材料采用增韧环氧树脂基体，增强纤维为 T800 碳纤维，拉伸 强度和拉伸模量较 T300 提高 50%左右，也是目前国际上主流民机主承力结构应用最 为广泛的复合材料。4.4.国内高性能碳纤维复合材料发展现状总体而言，我国复合材料技术的研究水平和产业化水平与发达国家相比还有较大 的差距。我国通过民机型号研制以及一系列民机预先研究，已初

45、步建立了“设计制 造装配维修”的复合材料一体化概念和相配套的技术体系，但也面临着材料体系 单一、材料规范不全、材料性能数据积累不足、供应链不完善等问题。先进复合材料 作为我国的一项“卡脖子”技术，应以“自主可控”为目标，尽快实现其国产化。4.4.1.碳纤维方面 国内企业已具备 T300、T700 级碳纤维批量生产能力；T800 完成小规模试制，但 在产品质量和稳定性方面与国外仍有差距。多年来，在政府对碳纤维行业的发展的 大力支持下，我国碳纤维行业得到较大发展：根据中航高科 2020 年年报，国内企业 已具备航空用 T300 级和 T700 级碳纤维的技术和批生产能力，且已在军用航空复合材 料上

46、批量应用；T800 级碳纤维完成了工程化试制，正在进行装机验证。部分民企已 具备航空复合材料树脂、预浸料和复合材料零件研制或生产能力。但是，由于前期国 内碳纤维行业缺乏核心技术团队，多数企业依赖于进口生产设备、缺乏对其消化和吸 收能力，生产技术和生产线自动化均较弱，导致生产工艺稳定性和过程控制的一致性 较差，影响碳纤维的产品质量和稳定性，生产成本较高。未来需要实现“从有到优”， 具体路径就是稳质降本，低成本生产技术是大小丝束共同需要的基础技术。4.4.2.高韧性树脂基复合材料方面 我国高韧性复合材料技术能力与国外差距较小。根据航空碳纤维树脂基复合 材料的发展现状和趋势，当前，以 5228A 为

47、代表的热塑性树脂共混增韧高温固化环 氧树脂基体发展成第二代高韧性树脂基体，其复合材料的 CAI 为 250MPa 以上。结合 国内 T800 级碳纤维的研制成功，航空工业复合材料技术中心研制了新一代高韧性环 氧树脂基复合材料 AC531，冲击后压缩强度达到了 340MPa 以上，达到了第三代韧性 复合材料的水平。从复合材料韧性水平来看，国内与国外的差距较小。4.4.3.复合材料工艺方面 C919 研制项目推动复合材料自动化工艺技术发展。大飞机研制之前，国内各大 飞机制造公司没有大型复合材料零件生产的自动化设备，如预浸料自动铺带机、热隔 膜成型机、大型无损检测设备及标准、大型热压罐等等。复合材料

48、的铺贴一般采用人 工手铺，稍微大一点的零件即需要几个班组加班加点，制造效率低，产品重复性也差。 面对这种情况，国内航空制造企业有计划地采购国外成熟的制造设备，为大型复合材料的研制提供保障。几年间诸如预浸料自动铺带机、自动铺丝机等先进设备陆续安装 调试并投入使用。至此，中国具有了可以快速、稳定铺放大尺寸复合材料的国际顶尖的设备和能力。另外，复合材料热隔膜成型设备、复合材料超声波裁断机、大型水切割设备、大型 C 扫描等先进自动化设备也成为了国内复合材料零件供应商的生产装备。国内已掌握低成本液体成型工艺并实现工程应用。近年来国内已经开发了系列 工艺性和力学及耐热性能优良的液态成型树脂体系，耐温涵盖了

49、从 60350的温度 范围，这些液态成型材料体系突破了低黏度化等技术难题，并研发了与各树脂体系匹 配的定型剂材料，建立了相应的材料和工艺标准，在多个型号中实现了工程应用，扩 大了碳纤维复合材料的应用范围。4.4.4. 供应链方面碳纤维是国家加快发展的战略性新兴产业，高性能碳纤维研发及产业化项目受 国家经费支持。为促进我国先进复合材料技术进步，推动我国先进复合材料技术整 体研发能力的提升和产业化发展，满足 C919 客机的发展需要，我国将江苏航科复合 材料科技有限公司的“大型民用客机关键零部件用 T800 级碳纤维的研发及其产业化 项目”列入国家战略性新兴产业发展重大专项。受到国家扶植的相关项目还有：中简 科技发展有限公司 T700/T800 级碳纤维及复合材料研发、产业化及在航空领